铝合金表面Ni基复合涂层制备机理及摩擦性能_闫成旗.pdf

书书书文章编号：-（）-铝合金表面N i基复合涂层制备机理及摩擦性能闫成旗*，贾竹英，李占君（安阳工学院 机械工程学院，河南 安阳 ；安阳工学院 工程训练中心，河南 安阳 ）摘要：为提高铝合金在航空航天应用中的表面抗磨性能，采用机械球磨方法在其表面制备了 -和种不同含量的 -复合涂层研究表明：四种复合涂层组织均匀分布，厚度约为 随着含量的增加颗粒的韧性变形面逐渐减少经过热处理后，-复合涂层中有 和 金属间化合物生成，但其剩余粉末中仅有 生成，并且无细粉剩余 种 -复合涂层和粗粉中有 和 生成，细粉中 金属间化合物随含量的增加逐渐消失复合涂层显微硬度随含量的增加有所增加，含涂层摩擦系数略高于铝合金基体和 -复合涂层，处于 ，但其磨损率远低于基体铝合金和 -复合涂层，约为 （），并且随含量的增加略有降低铝合金表面 -复合涂层的制备有效提升了铝合金表面的抗磨性能关键词：铝合金；复合粉末；机械球磨；金属间化合物；抗磨性能中图分类号：文献标志码：P r e p a r a t i o nm e c h a n i s ma n d t r i b o l o g i c a l p e r f o r m a n c e o fN i-b a s e c o m p o s i t e c o a t i n go na l u m i n u ma l l o y s u r f a c e -q，-，-（，；，-，）A b s t r a c t：，-，-，-，-，-，-，（），-K e yw o r d s：；-收稿日期：-基金项目：河南省自然科学基金（），河南省高等学校重点科研项目（）通讯作者：闫成旗（-），男，河南安阳人，博士，讲师 ：q 铝合金因其质量轻和易加工等优点在航空航天减重结构零部件、汽车和日常生活用品中得到了广泛的应用，但其低劣的耐磨性和不耐高温性能严重影响了铝合金的使用寿命和进一步的扩展使用因第 卷第期 年月兰州理工大学学报 此设计涂层材料组分和选择适合的工艺制备表面防护涂层尤为重要-机械球磨是在铝合金表面制备复合涂层的方法之一，金属粉末在球与基体的猛烈撞击下冷焊至铝合金表面形成复合涂层-等-通过机械球磨方法在 基体表面制备了 -复合涂层，制备的复合涂层中并未直接生成 -系金属间化合物，经过退火后形成了 和 相，低温退火时，涂层中存在、相，其中 相含量高于 含量；随着退火温度的升高，涂层中 相含量减少，含量增加，含量减少退火温度的升高会使得涂层中、两相尽可能地反应生成金属间化合物 -等-研究了退火温度对机械球磨制备 -系金属间化合物性能的影响研究结果表明，机械球磨工艺能够在室温条件下在碳钢基体上制备纳米结构的 -涂层，并且在 温度下的退火处理会有 -系金属间化合物的形成，从而提高了涂层的耐磨性和显微硬度沈以赴等对机械球磨方法在钛合金表面制备的 -、-、-、-和 -等复合涂层的扩散行为、金属间化合物生成和摩擦学性能进行了大量研究研究表明，机械球磨方法在样品表面可制备均匀的复合涂层，并且经过热处理后会有扩散层以及相应的金属间化合物增强相生成，能增强基体的抗磨性能材料具有高的硬度和熔点，制备含复合涂层可有效提升材料表面的抗磨性能机械球磨制备复合涂层原理为机械冷焊，可避免涂层与基体因熔点差异较大带来制备技术上的难度 -本文采用机械球磨方法在铝合金表面分别制备了 -和不同含量的 -复合涂层对涂层和不同粒径的剩余粉末同时进行热处理，观察其内部金属间化合物生成情况，分析机械球磨制备复合涂层过程中 粘结相的转移情况，最后对涂层摩擦学性能进行测试分析 实验材料与方法 实验材料与涂层制备方法铝合金基体材料为 ，尺寸约为 ；纯度为 的 粉，目；纯度为 的 粉，目；纯度为 的粉，平均粒径将 粉与 粉混合机械球磨制备 -复合涂层；将 粉、粉与添加 、的粉混合制备 -复合涂层，其中粉体总重量为（种涂层分别命名为、和 ）采 用 直 径 为、的不锈钢球来提高其球磨能量，为了防止旋转过程中粉末温度上升，每球磨 时停止 将机械球磨制备复合涂层后剩余粉末用 目筛子进行分离处理，目的粉末命名为粗粉，目的粉末命名为细粉之后，涂层与粉末均在真空炉中 真空退火（真空度 ），然后在炉中随炉冷却（涂层的组成及工艺参数见表）表 粉末的组成及涂层的制备参数T a b C o m p o s i t i o no f p o w d e r s a n dp r e p a r a t i o np a r a m e t e r s o f t h e c o a t i n g s样品名称粉末配比球磨时间 球-粉重量比转速 （）-（）-（）（）-（）（）-（）（）检测方法样品物相使用射线衍射仪（型号：-）进行测定；涂层硬度使用显微硬度仪（型号：）进行测试，载荷 ，加载时间，粗粉硬度的测试采用镶嵌粉镶嵌固定后进行测量；样品形貌和元素分布使用场发射扫描电镜（型号：）进行分析测试；样品的摩擦学性能采用高温摩擦磨损试验机（型号：-）进行测试，摩擦对偶球为直径的 陶瓷球，摩擦载荷 ，滑动速度 ，测试时间 ，材料的磨损体积通过VA L计算（V代表磨损体积，A代表磨斑横截面积，L代表磨斑直径），磨损率W通过WVS N计算（S代表滑动距离，N代表外加载荷）结果与分析 微观组织和成分分析图为机械球磨制备方法示意图、涂层宏观图和粗粉宏观图图 中机械球磨涂层制备完之后将剩余粉末进行粗细分离，从图 可以看出铝合金基兰州理工大学学报 第 卷体表面被复合涂层完全覆盖，从图 可以看出随着含量的增加粗粉粒径逐渐减小机械球磨制备复合涂层属于冷焊原理，软金属 在磨球猛烈撞击下发生变形和冷焊，冷焊过程中将 粉和粉包裹起来，最终形成复合涂层图中分别列出了种复合涂层截面微观组织及其元素面分布图，由图可以看出，采用机械球磨制备的种复合涂层厚度约为 ，并且涂层中各元素均匀分布由于冷焊过程为非定向粘结和低硬度铝合金在碰撞过程中表面发生微变形，所以涂层厚度均匀性较差，但种涂层有效使用厚度保持在 左右图为剩余粗粉末微观形貌和各元素面分布图由种粗粉的微观形貌图可以看出，随着的加入以及含量的增加，颗粒的韧性变形面和颗粒尺寸逐渐减少由种粗粉表面的元素面分布图可以看出添加之前以及添加后元素都均匀分布，并无团聚现象图为剩余细粉微观形貌图可以看出，机械球磨制备 -复合涂层后无细粉末剩余随图 机械球磨示意图、涂层宏观形貌和粗粉的宏观形貌F i g T h e s c h e m a t i c i l l u s t r a t i o n s o fm e c h a n i c a lm i l l i n g，m a c r om o r p h o l o g i e s（u n-a n n e a l e d）o f c o a t i n ga n dc o a r s ep a r t i c l e s图 N A、N AW 、N AW 、N AW 复合涂层退火后的横截面微观结构及元素分布F i g T h e c r o s s-s e c t i o nm i c r o s t r u c t u r e s a n d t h e e l e m e n t s d i s t r i b u t i o no f t h eN A，N AW ，N AW a n dN AW c o m p o s i t e c o a t i n g s a f t e r a n n e a l e d第期闫成旗等：铝合金表面 基复合涂层制备机理及摩擦性能 图 N A、N AW 、N AW 、N AW 粗颗粒的微观结构及元素分布F i g T h em i c r o s t r u c t u r e s a n d e l e m e n t s d i s t r i b u t i o no f t h e c o a r s ep a r t i c l e s o fN A，N AW ，N AW a n dN AW 图 N AW 、N AW 、N AW 细颗粒的微观形貌F i g T h em i c r o s t r u c t u r e s o f t h e f i n ep a r t i c l e s o fN AW ，N AW a n dN AW 着含量的增加，颗粒尺寸同样也逐渐减小由上述可知，的加入不影响复合涂层的均匀性，但的加入对复合粉末的冷焊成形具有一定的影响，其影响原因为硬质颗粒的加入影响到了 粘结剂的正常冷焊图中分别列出了退火前后 复合涂层和退火后剩余粗粉化学成分由衍射主图 和 角度放大图 可以看出，机械球磨制备 复合涂层过程中无新相生成经过热处理后涂层中生成了 和 金属间化合物，而剩余粗粉中只生成了 金属间化合物退火前涂层中无新相生成说明在机械球磨过程中原始粉末没有发生氧化现象退火后金属间化合物的生成会为涂层的力学和抗磨性能提供保障粗粉中 单质的消失说明涂层制备过程中粘结剂 偏向涂层部分粘结图中分别列出了 、种复合涂层热处理前后涂层成分和各自剩余粗粉、细粉退火后的成分由图中种涂层未退火成分曲线图 可以看出，机械球磨制备的种复合涂层中并无其他新相生成，说明涂层在机械球磨制备过程中均未出现氧化现象由图中种涂层退火后成分曲线图 和相应的 角度放大图 可兰州理工大学学报 第 卷图 N A涂层和粗粒的X射线衍射图F i g X-r a yd i f f r a c t i o no f t h eN Aa n dc o a r s ep a r t i c l e图 N AW 、N AW 、N AW 复合涂层、粗粉和细粉X射线衍射图F i g X-r a yd i f f r a c t i o no fN AW ，N AW a n dN AW c o m p o s i t e c o a t i n g s，c o a r s ep o w d e r a n d f i n ep o w d e r第期闫成旗等：铝合金表面 基复合涂层制备机理及摩擦性能 书书书以看出，经过退火后种复合涂层中均有 和 金属间化合物生成，与 复合涂层相比，生成的金属间化合物趋向 含量高的金属间化合物由图中种粗粉退火后成分曲线图 和相应的 角度放大图 可以看出，经过退火后粗粉中有 和 金属间化合物生成，与 复合涂层剩余粗粉相比，成分中不仅 物相消失，而且 和 单相也消失由图中种细粉退火后成分曲线图 和相应的 角度放大图 可以看出，经过退火后 细粉中有 和 金属间化合物生成，但 和 细粉中仅有 金属间化合物生成图中列出了种复合涂层以及相对应的粗粉和细粉经过退火后的含 成分分布由金属间化合物类型可以看出，含量有以下分布趋势：、涂层多于、粗粉，多于 、细粉图 涂层、粗颗粒和细颗粒中化合物变化示意图F i g T h e s c h e m a t i c i l l u s t r a t i o n s o f c o m p o u n d s c h a n g e d i n t h e c o a t i n g s，c o a r s ep a r t i c l e s a n d f i n ep a r t i c l e s 力学和摩擦学性能分析图中分别列出了种复合涂层和对应粗粉的显微硬度由涂层截面显微硬度图 可以看出，的加入使得复合涂层显微硬度有略微的升高，复合涂层距离界面 处的显微硬度约为 ，而种 -复合涂层约为 由种粗粉的显微硬度图 也可以看出，的添加提升了复合粉末的显微硬度，并且添加量为 和 时显微硬度略高于添加量为 时，约 图中分别列出了铝合金基体和种复合涂层的摩擦系数和磨损率曲线由摩擦系数图 可以看出，铝合金基体和 复合涂层的摩擦系数约为 ，添加之后种复合涂层的摩擦系数约处于 可以看出，作为硬质颗粒使得复合涂层摩擦系数有略微升高由磨损率图 可以看出，铝合金基体具有最高的磨损率（约 （），复合涂层的磨损率低于铝合金基体（约 （），当复合涂层中加入时，复合涂层磨损率