NiCoCrAlYTa_Ag_Mo复合自润滑涂层的制备及其高低温循环摩擦学性能.pdf

NiCoCrAlYTa/Ag/Mo 复合自润滑涂层的制备及其高低温循环摩擦学性能郝恩康1,陈杰1,刘光1*,崔烺1,王晓霞1,魏连坤1,安宇龙2（1中国兵器科学研究院宁波分院，浙江宁波315103；2中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室，兰州730000）摘要：为了开发适用于苛刻工况的长寿命、高可靠的自润滑涂层，选择 NiCoCrAlYTa 作为黏结相，Ag 作为润滑相，Mo 作为增强相，采用超音速火焰喷涂（high-velocityoxy-fuelspraying，HVOF）技术在 Inconel718 高温合金基体上制备复合涂层。考察该复合涂层在室温及 800 循环交变条件下的摩擦学行为，研究磨损表面的形貌特征、化学成分、相组成，揭示摩擦过程中元素之间的相互作用以及摩擦表面的物理化学本质，探究其在高低温交变环境下的多循环“自适应”润滑机理。结果表明：复合涂层致密均匀，力学性能良好，主要有-Ni，-NiAl，-Ni3Al，Ag 和Mo 等物相；复合涂层表面生成的-Ag2MoO4类层状润滑剂，可大大改善涂层在高温条件下的摩擦磨损性能；在多循环交变条件下，复合涂层后续循环摩擦因数较首次循环而言有所增大，但在室温条件下的磨损率却有所减小；这是涂层在高温条件下生成的-Ag2MoO4类层状尖晶石润滑相与 Al2O3、MoO3硬质相氧化物在摩擦剪切力的作用下相互影响而导致的。关键词：复合涂层；类层状结构；自适应润滑相；热循环；摩擦磨损doi：10.11868/j.issn.1005-5053.2022.000196中图分类号：TG174.442文献标识码：A文章编号：1005-5053(2023)04-0045-10Preparation of NiCoCrAlYTa/Ag/Mo composite self-lubricant coating and itshigh-low temperature cycling tribological propertiesHAOEnkang1,CHENJie1,LIUGuang1*,CUILang1,WANGXiaoxia1,WEILiankun1,ANYulong2（1.Chinese Weapons Science Academy Ningbo Branch,Ningbo 315103,Zhejiang,China；2.State Key Laboratory of SolidLubrication,LanzhouInstituteofChemicalPhysics,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000,China）Abstract:Inordertodevelopaself-lubricatingcoatingwithlonglifeandhighreliabilitysuitableforharshworkingconditions,thecompositecoatingwithNiCoCrAlYTaasmatrixphase,AgaslubricantphaseandMoasthereinforcingphasewerepreparedbyhigh-velocityoxy-fuelspraying（HVOF）technology.Thehigh-lowtemperaturecyclingtribologicalpropertiesofthecompositecoatingwereinvestigatedat25and800.Themorphologyfeatures,chemicalcompositionandphasestructureofthewornsurfacewerestudiedtorevealtheinteractionbetweendifferentelementsinthefrictionprocessandphysicochemicalnatureoffrictioninterface.Inaddition,themulti-cyclesadaptivelubricationmechanismunderthealternatingenvironmentofhighandlowtemperaturewasexploredaswell.Theresultsshowthatthecompositecoatingisdenseanduniform,andhasbettermechanicalproperties.Thephasesofthecompositecoatingmainlycontain-Ni,-NiAl,-Ni3Al,AgandMo.The-Ag2MoO4layer-likelubricant generated on the surface can greatly improve the friction and wear performance of the composite coating at hightemperature.Undertheconditionofmulti-cycles,thefrictioncoefficientofsubsequentcycleofthecompositecoatingisincreasedcomparedwiththefirstcycle,butthewearrateofthecompositecoatingatroomtemperatureisdecreased.Thisiscausedbytheinteractionbetweenthelubricatingphaseof-Ag2MoO4andthehardphasesofAl2O3andMoO3withtheactionoffrictionalshearforce.2023年第43卷航空材料学报2023，Vol.43第4期第4554页JOURNALOFAERONAUTICALMATERIALSNo.4pp.4554Key words:compositecoating；layer-likestructure；self-adaptivelubricant；thermalcycling；frictionandwearproperties随着现代航天科技与军事装备技术的发展，发动机、空气轴承、涡轮增压器等机械部件的使役温度日益升高，其表面的热防护问题成为制约相关材料应用和使用寿命的关键因素1-3。同时，此类热端运动部件一般都服役于高温、高负载、高速等极端苛刻工况，其摩擦学特性也会直接影响到装备运行的稳定性与可靠性4-5，因此，亟须从“自适应润滑”设计原理和热端运动部件的使役工况特点出发，设计开发具有优异润滑特性的高温防护涂层5-8。近年来，表面再制造技术蓬勃发展，超音速火焰喷涂（high-velocityoxy-fuelspraying，HVOF）作为热喷涂技术中的一种，热源温度适中，喷涂粒子停留时间短，可以有效抑制涂层在沉积过程中的氧化问题，适用于金属基涂层的制备9-13。MCrAlX（M=Ni、Co 或 NiCo；X=Y、Ta、Hf 等）作为第三代热防护涂层，不仅高温力学性能良好，而且具有优异的抗热腐蚀和抗高温氧化能力，所以在航空航天等领域被广泛应用14-17。三元氧化物材料，例如 Ca（Ba、Sr）-S-O，（Ag、Cu）-Ta-O 和 Ag-V（Mo、Nb）-O，由于其结构惰性和化学惰性以及高温下良好的塑性和低剪切性能，被视为高效的高温固体润滑剂18-19。软金属 Ag 剪切强度低、塑性好，可以作为低温润滑剂，而金属Mo 既耐磨又具有润滑特性，二者在高温条件下原位生成类层状结构 Ag2MoO4，可以赋予复合涂层良好的高温润滑特性20-23。MCrAlX/Ag/Mo 复合涂层的设计原理在于，其高温自适应润滑相与石墨、MoS2、h-BN、BaF2CaF2等固体润滑剂相比，具有更好的物理相容性，而且其本身高导热特性有利于摩擦热在接触表面的耗散，从而提高涂层的抗磨损性能24-27。近年来 Ag2MoO4由于优异的高温润滑性能而得到了广泛研究28-30，润滑剂对温度的敏感性是高温润滑涂层必须面对的问题，Ag2MoO4自身优异的润滑特性也具有其适应的温度范围31。不同金属元素及其润滑剂在高温条件下的氧化热力学与动力学反应过程，以及高温条件下涂层内部组织和物相的变化过程，都会影响其高温润滑性能的发挥。为了进一步探究复合涂层以及 Ag2MoO4润滑剂在启动和停车阶段发生的稳定性问题，需要对涂层自适应润滑相的形成对其热循环摩擦学性能的影响进行深入研究。本工作采用 HVOF 喷涂技术在 Inconel718 高温合金基体上制备 NiCoCrAlYTa/10Ag/10Mo 复合自润滑涂层，对涂层的微观结构、相组成、力学性能以及涂层在 25 和 800 多循环高低温交变条件下的摩擦磨损性能进行研究，探究涂层的高温热动力学演变过程和润滑膜的形成机制，阐明其在高低温交变环境下的多循环“自适应”润滑机理和相应磨擦磨损机制。1 实验1.1 复合涂层制备采用商业化的喷涂粉末 NiCoCrAlYTa（Amdry997，OerlikenMetco，USA）作为涂层的黏结相；Mo 粉（Metco63NS，OerlikenMetco，USA）作为增强相，Ag 粉（北京矿冶研究院）作为润滑相。各粉末的相关参数如表 1 所示。将各粉末按照质量比为 NiCoCrAlYTa/10Ag/10Mo 的配比进行机械振荡，充分混合均匀，并在（1202）干燥箱中干燥备用。为了增强涂层和 Inconel718 高温合金基体（30mm25mm7.7mm）之间的结合力，采用 XZ-1212-P 吸入式干喷砂机对基材的工作面进行喷砂粗化处理（Ra1.4m）。采用 DiamondJet2700HVOF 喷涂设备将机械混合的复合粉末沉积在基材表面，喷涂参数列于表 2 中。1.2 摩擦磨损测试使用 AntonPaar 高温摩擦磨损试验机评价表1复合粉末参数Table1ParametersofcompositepowdersCompositepowderChemicalcomponentSize/mPreparationcraftAg99.99%60GasatomizationMo99.5%30-75AgglomeratingandsinteringAmdry997Ni-23Co-20Cr-8.5Al-0.6Y-4Ta5-38Gasatomization46航空材料学报第43卷NiCoCrAlYTa/10Ag/10Mo 复合涂层与 Al2O3对偶球（6mm，2400HV，Ra0.1m）在循环高低温交变条件下的摩擦磨损性能：（1）25 摩擦 200m（No.1）；（2）25 摩擦 200m、800 摩擦 200m（No.2）；（3）25 摩擦 200m、800 摩擦 200m、25 摩擦200m（No.3）；（4）25 摩擦200m、800摩擦 200m、25 摩擦 200m、800 摩擦 200m（No.4）。实验过程如图 1 所示。其相应实验条件如下：摩擦载荷（P）5N；摩擦速度（v）10cm/s；摩擦半径（r）5mm；摩擦距离（S）200m。摩擦因数（）由试验机自动采集并记录，磨损体积（V）由非接触式三维表面轮廓仪 Micro-XAM 测量得到。分别对摩擦过程中 No.1、No.2、No.3、No.4 位置处的 涂 层 的 磨 损 体 积 进 行 测 量。磨 损 率（w，mm3N1m1）通过式（1）计算：w=V/SPT/C80025200No.1No.2No.3No.4400600800D/m图1高低温循环摩擦实验温度与滑移距离示意图Fig.1Schematicdiagramoftemperatureasafunctionofslid-ingdistanceforspecimenduringhigh-lowtemperaturecyclingtribolog