零件表面耐磨耐蚀多层涂层的结构设计

孙全芳

摘 要：零件的磨损腐蚀失效几乎都是从表面开始的，多层涂层提高金属零件耐磨耐蚀性能效果非常明显，针对多层涂层的耐磨耐蚀功能，本文选择了镍基自润滑材料，设计了三种结构的多层涂层。

关键词：耐磨耐蚀；多层涂层；自润滑；结构设计

磨损和腐蚀是机械设备零部件最常见的失效形式，对因磨损、腐蚀等原因所造成的零件失效研究表明，磨损和腐蚀破坏几乎都是从表面开始，表面局部损伤逐渐发展，最终造成整个零件的失效。因此，对零件进行表面改性处理来提高抗磨损抗腐蚀性能等成为材料学科研究的热点之一，热喷涂涂层技术是零件表面改性处理的重要的技术。

涂层结构不仅影响涂层与基体的界面，而且影响涂层的制备工艺和制备成本，对热喷涂涂层的性能影响非常大。因此，合理的涂层结构设计对提高涂层性能和降低制备成本具有重要意义。目前，热喷涂涂层，在结构上存在四种形式，即双层涂层、三层涂层、梯度涂层和阶梯复合涂层。

一、涂层设计中的关键问题：

（一）涂层抵抗环境的化学作用性。改善涂层抵抗环境化学作用性的途径有：（1） 选择对环境介质有足够化学惰性的涂层材料。（2） 采用不同涂层材料组成复合涂层，利用优势互补，阻止或延缓环境介质与涂层之间的相互作用。

（二）涂层与环境的热匹配性。涂层与环境的热匹配性是指涂层适应环境温度变化的能力。当环境温度变化时，涂层内产生的热应力不导致涂层剥落。

改善涂层与环境热匹配性的途径有：（1）选择与基体线膨胀系数相近的涂层材料。（2）通过涂层结构设计，使涂层与基体之间的热应力最小。

（三）涂层与环境的力学相容性。涂层与环境的力学相容性是指涂层在工作时的力学稳定性，即涂层与基体的结合性和涂层的抗磨损性。提高涂层对环境的耐磨性的措施有：（1）根据磨损机制，选取相应的涂层材料，例如抗磨粒磨损，应选用高硬度涂层，而抗粘着磨损，则应选用具有自润滑作用的材料。（2）选取适当的金属粘结层材料和涂层结构，提高涂层的结合强度。

（四）涂层制备工艺所带来的问题。采用热喷涂技术制备涂层，存在三大问题：（1）涂层的层状组织结构，决定了涂层的多孔性。多孔的涂层对涂层的抗氧化性和抗腐蚀性有较大的影响。（2）涂层与基体及涂层间的机械镶嵌和微冶金结合，导致涂层的结合强度较低。（3）涂层与基体物理、化学性质上的差异，导致制备涂层时，涂层内存在较大的残余应力。热喷涂技术中的这三大问题，通过涂层结构设计，可使其危害性减小。

二、耐磨耐蚀涂层设计

（一）涂层材料系确定。耐磨耐蚀涂层是用于保护基体不受高硬度配副磨损和腐蚀介质腐蚀。MoS2具有良好的自润滑性能，Ni包MoS2具有较高的硬度和强度，镍的包覆保护，使MoS2在有氧环境喷涂中不易分解，具有较好的减磨耐磨耐蚀性能，因此，选用Ni包MoS2作为工作层。

Ni包C硬度强度都低，是一种软质涂层，石墨具有典型的密排六方结构，同一平面层中碳原子的距离a=0 142nm，不同层面之间碳原子的距离c=0 340nm。每个碳原子与同一平面层中的其它3个碳原子以强的共价键结合的同时，还要与邻近平面层中的碳原子以较弱的电子键结合。平面层与平面层之间的碳原子的结合力要比同一层内碳原子间的结合力小100多倍。当涂层中的石墨受到摩擦力切向作用时，层面容易发

生解理，表现为低摩擦因数的层间滑移。Ni包C层作为中间层，可以使涂层工作层受到剪切力时，两层之间产生一定程度滑移，从而抵抗裂纹的产生，对耐磨性有利。

中间层是软质涂层，涂层中含有自润滑软相，组织较疏松，与基体结合性差，改善界面结合最直接的办法就是在涂层与基体间制备一层过渡层，使该过渡层的性能介于涂层与基体之间，且与涂层和基体均有良好的结合，由此缓解界面突变的问题，Ni60涂层与中间层都属镍基涂层，且硬度和强度都很高，因此选用Ni60涂层作为粘结层。

（二）涂层结构设计。要求涂层同时具有减磨耐磨特性，在结构上要考虑以下几个方面：（1）针对涂层的减磨耐磨性，采用

Ni包MoS2作为工作层，镍基涂层组织致密，耐磨损性能好，结合强度高，MoS2作为润滑相，能够减小涂层的摩擦系数。（2）针对线膨胀系数的要求，各层材料均选用镍基粉末；中间过渡层选用Ni包C，该涂层是一种软涂层，孔隙率高，作为中间过渡层在涂层工作时起到弹簧垫式的缓冲作用，并且中间层的厚度对涂层的性能有较大的影响。

根据每种涂层材料所起的作用不同，经过组合，设计了三种多层涂层结构及三种单层涂层，见图a，涂层厚度都为300-350μm，其中多层涂层粘结层都为60-80μm，为了比较中间层厚度对多层涂层性能的影响，设计了不同厚度的中间过渡层，一种涂层中间层厚度为80μm，另外一种涂层为120μm。