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[摘 要]为提高涂层性能和使用寿命，设计了FeAICrNi/3Cr13、N195AI/3Cr13和ICr13/3Cr13的3种复合涂层和不喷涂过渡层的3Cr13涂层，利用扫描电镜、能谱仪和微动摩擦磨损设备等测试技术分析了4种涂层的微观组织和微区成分组成，研究了喷涂不同过渡层对复合涂层结合强度的影响，重点考察了FeAICrNi/3Cr13复合涂层的耐磨性能。
[关键词]高速电弧喷涂 微观组织 复合涂层
中图分类号：TG174.422 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）04-0361-01
本文设计了FeAICrNi/3Cr13、Ni95Al/3Cr13和ICr13/3Cr13的3种复合涂层，旨在寻找一种低成本高性能的涂层体系，以期取代成本较高的Ni95AI/3Cr13复合涂层。
1 复合涂层的微观组织与成分分析
高速电弧喷涂FeAICrNi/3Cr13和Ni95Al/3Cr13复合涂层截面微观形貌见图l（a）和（c），涂层组织均匀致密，浅灰色和深灰色的条状组织相间分布，呈层状结构，孔洞和裂纹较少.ICr13/3Cr13复合涂层和3Cr13涂层截面形貌如图l（b）和（d）所示，涂层含有少量孔洞，且部分存在于涂层与基体界面，这种涂层结构对涂层结合强度有很大影响。
图1 复合涂层/基体截面SEM照片
比较4种涂层与基体界面的形貌特征，喷涂FeAICrNi过渡层约50μm厚，与基体结合紧密，没有空洞和裂纹出现，也与工作层紧密的“咬合”在一起，大大提高了涂層的结合强度，过渡层区域成分主要有Fe、Cr、Ni、Al、Si，没有检测到O元素。
涂层低氧化物含量的机理在于：根据热力学第二定律，电弧喷涂过程中高温熔滴不可避免地发生氧化，1727℃时Fe、Al、Ni、Cr、Si、B各元素生成氧化物的自由能分别为-33.8、-82.0、-13、-49.1、-61.9和-61.9千卡，比较得出Al、Si和B元素更易发生氧化反应，但是，对于合金与气体能发生氧化反应还必须氧气压大于氧化反应的平衡分压，说明相同条件下B更容易氧化。
2 复合涂层结合强度分析
3种复合涂层和没有过渡层的3Cr13涂层的结合强度，FeAICrNi/3Cr13复合涂层结合强度最高，约46.6MPa，涂层结合强度高的原因一方面是过渡层致密均匀，没有孔洞和裂纹，氧化物含量低.二是因为丝材主要成分是Fe、Ni、Al和Cr的4种元素，喷涂时，Al和Ni会与空气中的氧气发生氧化反应放出大量的热量，使熔融的镍铝合金粒子的温度进一步升高，高温高速粒子撞击基体表面后，因放热反应不会迅速冷却，而保持较长时间的高温，使接触到的微区基体被加热，形成局部的冶金结合，有益于提高涂层的结合强度，另外，丝材中含有Fe和Cr元素，喷涂过程中熔融液滴在空气中发生氧化反应放出一定热量，对喷涂粒子或已沉积层产生二次加热作用，提高了“熔滴”的流动性和铺展性，并在雾化气体的推动下高速撞击到基休或已沉积层表面，均匀的铺展开来，层片之间紧密结合，提高了涂层的内聚强度，因此，FeAICrNi系过渡层中各种放热型元素和脱氧元素的添加是提高复合涂层结合强度的主要原因。
3 复合涂层摩擦磨损性能分析
磨损是部件主要的失效形式.FeAINiCr/3Cr13复合涂层和基体在室温载荷50N干摩擦过程中的摩擦系数变化看，复合涂层的摩擦系数低于基体，基体的摩擦系数约0.5，且在后期（10-15min）摩擦系数有上升趋势，说明基体耐磨性随着摩擦时间的延长而降低，原因是干摩擦过程中会产生热量，随着摩擦过程的进行，磨面温度升高，基体发生塑性变形，耐磨性降低，复合涂层平均摩擦系数约0.43，在前1min略有上升，这是因为摩擦方式为球-面接触摩擦，初期接触强度较高，摩擦系数波动较大，1min钟后摩擦系数迅速下降趋于稳定，这与文献研究吻合，摩擦系数的变化与摩擦过程中的实际接触面积有关，涂层中存在硬质碳化物和固溶体弥散分布在a-Fe软基体上，硬质相的耐磨性高于周围基体，当摩擦副（GCr15球）与硬质点接触摩擦，减少了摩擦副与涂层的接触面积，复合涂层的摩擦系数在整个摩擦过程中变化平稳，说明复合涂层的耐磨性比较稳定，复合涂层的磨痕深度和宽度都小于基体，可以看出，基体摩擦后磨痕周围挤出严重，说明基体硬度低，抗承载能力差，而复合涂层表面硬度较高，承载能力强，磨痕表面比较平整，仅有少量挤出现象，且磨痕底部有一定的粗糙度，说明软质相金属基体先磨损，而硬质相耐磨性高于基体，可以起到“骨架”支撑作用.而这种软一硬相间的组织结构使复合涂层在摩擦过程中随着硬质点的凸出，涂层硬度提高，耐磨性增强。
4 结论
1）利用高速电弧喷涂技术制备了3种复合涂层FeAICrNi/3Cr13、Ni95Al/3Cr13、ICr13/3Cr13和未喷涂过渡层的3Cr13涂层，结果表明，FeAICrNi/3Cr13、Ni95Al/3Cr13复合涂层组织均匀致密，结合强度较高，分别为46.6和45.6MPa，而ICr13/3Cr13相3Cr13涂层结合强度低，分别为35.4和29.8MPa，尤其是喷涂FeAICrNi系粉芯丝材作为过渡层，丝材中添加了Cr、Ni、Al等反应放热型元素和少量Si、B脱氧元素，大大提高了涂层的结合强度，降低了过渡层氧含量。
2）FeAICrNi/3Cr13复合涂层组织致密，空隙率低，约3.2%，涂层是硬质相（Fe，Cr）固溶体、碳化物Cr26C6和Cr2O3弥散分布在韧性d-Fe基体，高载干摩擦条件下复合涂层的磨损体积和磨痕尺寸都小于基体，且随着磨损过程的进行磨损率减小，结果表明，FeAICrNi/3Cr13复合涂层结合强度较高，耐磨性好，且成本低于Ni95Al/3Cr13复合涂层。
参考文献
[1] 际辉 等，喷涂工艺对Fe-Ni-B喷涂涂层组织性能的影响[J].材料科学与工艺，2010，18（1）.
[2] 董立先 等.电弧喷涂防磨损涂层性能评价[J].石油大学学报（自然科学版），2005，29（1）.
[关键词]高速电弧喷涂 微观组织 复合涂层
中图分类号：TG174.422 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）04-0361-01
本文设计了FeAICrNi/3Cr13、Ni95Al/3Cr13和ICr13/3Cr13的3种复合涂层，旨在寻找一种低成本高性能的涂层体系，以期取代成本较高的Ni95AI/3Cr13复合涂层。
1 复合涂层的微观组织与成分分析
高速电弧喷涂FeAICrNi/3Cr13和Ni95Al/3Cr13复合涂层截面微观形貌见图l（a）和（c），涂层组织均匀致密，浅灰色和深灰色的条状组织相间分布，呈层状结构，孔洞和裂纹较少.ICr13/3Cr13复合涂层和3Cr13涂层截面形貌如图l（b）和（d）所示，涂层含有少量孔洞，且部分存在于涂层与基体界面，这种涂层结构对涂层结合强度有很大影响。
图1 复合涂层/基体截面SEM照片
比较4种涂层与基体界面的形貌特征，喷涂FeAICrNi过渡层约50μm厚，与基体结合紧密，没有空洞和裂纹出现，也与工作层紧密的“咬合”在一起，大大提高了涂層的结合强度，过渡层区域成分主要有Fe、Cr、Ni、Al、Si，没有检测到O元素。
涂层低氧化物含量的机理在于：根据热力学第二定律，电弧喷涂过程中高温熔滴不可避免地发生氧化，1727℃时Fe、Al、Ni、Cr、Si、B各元素生成氧化物的自由能分别为-33.8、-82.0、-13、-49.1、-61.9和-61.9千卡，比较得出Al、Si和B元素更易发生氧化反应，但是，对于合金与气体能发生氧化反应还必须氧气压大于氧化反应的平衡分压，说明相同条件下B更容易氧化。
2 复合涂层结合强度分析
3种复合涂层和没有过渡层的3Cr13涂层的结合强度，FeAICrNi/3Cr13复合涂层结合强度最高，约46.6MPa，涂层结合强度高的原因一方面是过渡层致密均匀，没有孔洞和裂纹，氧化物含量低.二是因为丝材主要成分是Fe、Ni、Al和Cr的4种元素，喷涂时，Al和Ni会与空气中的氧气发生氧化反应放出大量的热量，使熔融的镍铝合金粒子的温度进一步升高，高温高速粒子撞击基体表面后，因放热反应不会迅速冷却，而保持较长时间的高温，使接触到的微区基体被加热，形成局部的冶金结合，有益于提高涂层的结合强度，另外，丝材中含有Fe和Cr元素，喷涂过程中熔融液滴在空气中发生氧化反应放出一定热量，对喷涂粒子或已沉积层产生二次加热作用，提高了“熔滴”的流动性和铺展性，并在雾化气体的推动下高速撞击到基休或已沉积层表面，均匀的铺展开来，层片之间紧密结合，提高了涂层的内聚强度，因此，FeAICrNi系过渡层中各种放热型元素和脱氧元素的添加是提高复合涂层结合强度的主要原因。
3 复合涂层摩擦磨损性能分析
磨损是部件主要的失效形式.FeAINiCr/3Cr13复合涂层和基体在室温载荷50N干摩擦过程中的摩擦系数变化看，复合涂层的摩擦系数低于基体，基体的摩擦系数约0.5，且在后期（10-15min）摩擦系数有上升趋势，说明基体耐磨性随着摩擦时间的延长而降低，原因是干摩擦过程中会产生热量，随着摩擦过程的进行，磨面温度升高，基体发生塑性变形，耐磨性降低，复合涂层平均摩擦系数约0.43，在前1min略有上升，这是因为摩擦方式为球-面接触摩擦，初期接触强度较高，摩擦系数波动较大，1min钟后摩擦系数迅速下降趋于稳定，这与文献研究吻合，摩擦系数的变化与摩擦过程中的实际接触面积有关，涂层中存在硬质碳化物和固溶体弥散分布在a-Fe软基体上，硬质相的耐磨性高于周围基体，当摩擦副（GCr15球）与硬质点接触摩擦，减少了摩擦副与涂层的接触面积，复合涂层的摩擦系数在整个摩擦过程中变化平稳，说明复合涂层的耐磨性比较稳定，复合涂层的磨痕深度和宽度都小于基体，可以看出，基体摩擦后磨痕周围挤出严重，说明基体硬度低，抗承载能力差，而复合涂层表面硬度较高，承载能力强，磨痕表面比较平整，仅有少量挤出现象，且磨痕底部有一定的粗糙度，说明软质相金属基体先磨损，而硬质相耐磨性高于基体，可以起到“骨架”支撑作用.而这种软一硬相间的组织结构使复合涂层在摩擦过程中随着硬质点的凸出，涂层硬度提高，耐磨性增强。
4 结论
1）利用高速电弧喷涂技术制备了3种复合涂层FeAICrNi/3Cr13、Ni95Al/3Cr13、ICr13/3Cr13和未喷涂过渡层的3Cr13涂层，结果表明，FeAICrNi/3Cr13、Ni95Al/3Cr13复合涂层组织均匀致密，结合强度较高，分别为46.6和45.6MPa，而ICr13/3Cr13相3Cr13涂层结合强度低，分别为35.4和29.8MPa，尤其是喷涂FeAICrNi系粉芯丝材作为过渡层，丝材中添加了Cr、Ni、Al等反应放热型元素和少量Si、B脱氧元素，大大提高了涂层的结合强度，降低了过渡层氧含量。
2）FeAICrNi/3Cr13复合涂层组织致密，空隙率低，约3.2%，涂层是硬质相（Fe，Cr）固溶体、碳化物Cr26C6和Cr2O3弥散分布在韧性d-Fe基体，高载干摩擦条件下复合涂层的磨损体积和磨痕尺寸都小于基体，且随着磨损过程的进行磨损率减小，结果表明，FeAICrNi/3Cr13复合涂层结合强度较高，耐磨性好，且成本低于Ni95Al/3Cr13复合涂层。
参考文献
[1] 际辉 等，喷涂工艺对Fe-Ni-B喷涂涂层组织性能的影响[J].材料科学与工艺，2010，18（1）.
[2] 董立先 等.电弧喷涂防磨损涂层性能评价[J].石油大学学报（自然科学版），2005，29（1）.