双丝电弧喷涂Fe(WC)/Ni(WC)复合涂层摩擦磨损性能研究

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本文主要采用双丝电弧喷涂(TWAS)设备(Thermion,USA),使用金属基陶瓷Fe(WC)/Ni(WC)粉芯丝材(Oerlikon metco,Switzerland),在316L不锈钢基体上成功喷涂了 Fe(WC)/Ni(WC)复合涂层。使用配有能谱(EDS)的扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、维氏硬度计(ARTCAM-130SSI-BW)、热重分析和差示扫描量热(TG-DSC)综合热分析仪(SETRAM Syesys16)等仪器设备进行实验测试,对涂层的显微组织结构、硬度以及热稳定性能进行分析测定;采用电化学工作站(RST5000)、白光干涉仪(Contour GT,USA)和球-盘式多功能摩擦磨损实验机(UMT TriboLab,USA)等设备实验研究了涂层在不同浓度腐蚀介质中的电化学腐蚀性能以及涂层在不同摩擦参数(变温度、变载荷)下的摩擦磨损性能及磨损机理。研究结果表明:(1)涂层-基体为机械结合,结合界面良好,涂层组织致密,呈典型的层状结构,涂层中不同元素均匀分布,无富集现象。涂层孔隙率为5.74%。物相分析表明涂层主要由Fe-Ni组成的体粘结相Fe3Ni2及(Fe,Ni)和C-W组成的二元共晶硬质相WC及W2C组成,硬质相在粘结相中均匀分布,能够起到弥散强化作用,有利于提高涂层的耐磨性能。涂层的平均显微硬度值约为714HV0.1,316L不锈钢基体的平均显微硬度值约为213HV0.1,涂层硬度的提高有利于涂层的耐磨性能。(2)涂层在两种不同浓度H2SO4和HN03溶液中均表现出较好的耐腐蚀性能,自腐蚀电流密度的数量级为10(A·cm-2),这表明涂层的腐蚀速率较低。随着酸性溶液浓度的增大,涂层的腐蚀速率逐渐升高,但涂层腐蚀速率的增加速率反而降低,表明涂层在浓H2SO4中的耐腐蚀性能优于稀H2SO4;同时,涂层在H2SO4溶液中的腐蚀倾向和腐蚀速率都要低于在HNO3溶液中的腐蚀倾向和腐蚀速率,即涂层在H2SO4溶液中的耐蚀性能要优于在HN03溶液中的耐蚀性能。(3)涂层在不同摩擦参数下表现出了不同的摩擦磨损性能和磨损机理。当载荷和相对滑动速度一定时,涂层的摩擦系数和磨损率均随温度的升高而增大,而在高温550℃时,由于涂层的热软化和高温氧化效应,涂层的摩擦系数有所降低,但涂层由于磨屑粘着和对磨球材料的转移而出现了磨损量负增加现象。在较低温度下(低于350℃),涂层的磨损机理主要为塑性变形剥落磨损、轻微的疲劳磨损和磨粒磨损。高温下(高于350℃),涂层的磨损类型转变为塑性变形、磨粒磨损、轻微的粘着磨损和氧化磨损共同作用。在低载荷下(低于30N),随着载荷的增大,涂层摩擦系数降低,磨损率增大。高载荷下(高于30N),涂层的摩擦系数和磨损率又有所降低,随后又增大。涂层在不同载荷下的磨损机理主要为塑性变形、疲劳磨损和磨粒磨损为主,随着载荷的增大,塑性变形和磨粒磨损加剧,且在高载荷下由于摩擦温升作用出现了轻微的氧化磨损。
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