6061-T6铝合金电弧喷涂Ni-Al涂层摩擦磨损性能研究①

2020-03-09王吉孝王黎马李莫才颂

广东石油化工学院学报 2020年6期

王吉孝，王黎，马李，莫才颂

(广东石油化工学院机电工程学院，广东茂名 525000)

舰载机偏流板涂层要求在干态、水态和油态条件下具有很好的防滑性能，以此保证飞机和重型设备在恶劣海洋状况下不滑动[1]。为延长使用寿命，要求磨损后涂层仍保持高摩擦系数[2]。树脂基涂层虽在美、英海军舰载飞机甲板上有广泛应用，但该类涂层还存在不足：耐磨性能仅为金属基涂层的1/5以下；树脂基涂层摩擦系数在两年内，摩擦系数由1.4降到0.8，而金属基涂层摩擦系数可稳定在0.9以上；同时树脂基涂层易老化，高温时挥发有毒气体，但金属基涂层没这些缺点[3]。20世纪60年代, 金属基防滑涂层就已应用到舰载机偏流板。采用热喷涂技术在CVA-59号航母偏流板上制备铝酸镍防滑涂层[4]。该板经受大量飞机的燃气喷射气流，只有很少点蚀[5]。将铝酸镍防滑涂层用于CVA-63号航母1#偏流板, 经10个月使用性能完好[6]。现在金属基防滑涂层多采用铝基防滑涂层。国内对防滑涂层的研究较少，装甲兵工程学院研制了一种铝基氧化铝粉芯丝材，该涂层摩擦系数为0.7～0.9，纯铝涂层摩擦系数为0.4左右[7]。国内也有一些采用喷涂方法制备耐磨涂层的研究[8-10]，但对于偏流板防滑涂层鲜有报道。基于此，本文采用双丝电弧喷涂技术在6061-T6铝合金上制备Ni-Al复合涂层，对其摩擦磨损性能进行研究。

1 实验部分

1.1 实验原料

基体材料为6061-T6铝合金。喷涂丝材为美国的PRAXAIR公司生产，直径1.6 mm，化学成分见表1。

表1 喷涂丝材的化学成分及质量分数 %

1.2 实验仪器

喷涂设备采用美国PRAXAIR公司生产的9935型双丝电弧喷涂系统。空气压缩机为阿特拉斯公司生产，型号为GA30FF，带冷干机，最大可提供1.0 MPa的压力。喷砂设备型号为6090A，射吸式。摩擦系数使用倾角测量仪测量，角度精度为±0.1°，测量精度为±0.01。采用济南泰思特公司生产的MMW-1A型立式万能磨损试验机测试涂层的滑动摩擦系数。磨损实验使用阻拦索磨损模拟试验装置。并采用型号为HELIOS NANOLAB 600i的扫描电子显微镜观察磨损试验后涂层的表面磨损形貌。

1.3 Ni-Al复合涂层制备

采用双丝电弧喷涂方法制备两种复合涂层，打底层都是Ni-5%Al，面层分别是Ni-5%Al和Ni-20%Al。分别记为A涂层和B涂层，研究两种涂层的摩擦系数，优化比较。涂层工艺参数见表2。

表2 双丝电弧喷涂工艺参数

1.4 测试方法

摩擦系数测量参考美国军标MIL-PRF-24667C-4.5.1。试样尺寸为300 mm×150 mm×6 mm，制备涂层。分别对A、B涂层测量干态、水态及油态的50循环和500循环的静摩擦系数。使用丙烯酸类树脂给涂层封孔，再分别测封孔后涂层的静摩擦系数。每种测量的试样数量均是4个。滑块主体是一个轮廓尺寸为145 mm×100 mm×22 mm的钢块，沿底面一端100 mm边制作半径19 mm的倒角。将100 mm宽和3 mm厚的硫化氯丁橡胶片(邵氏硬度57±2)粘在底面，并向上包住倒角弧面。滑块总重(钢块+橡胶片)为(2.7±0.2)kg。测试时滑块和涂层表面之间的相对运动方向需要频繁地在纵横两个方向切换。

摩擦磨损试验参考美国军标MIL-PRF-24667C-4.5.4，试验采用接触式往复滑动，试样尺寸为300 mm×150 mm×6 mm，摩擦副为Φ3 mm的冷轧ASTM A229 Class 2弹簧钢丝(硬度HV100g430)，法向压力为133.28 N，往复位移幅值为225 mm，滑动速度为25 mm/s，试验温度为室温。磨损试验过程不允许钢丝产生扭曲、弯曲和转动。采用分度值为0.01 g的PB1502-S精密天平称量磨损失重。涂层磨损值(%) = 100×(M2-M3) /(M2-M1)，涂层磨损值应低于10%。其中M1为基体质量，M2为磨损50个循环后涂层与基体质量，M3为500个循环后的质量。质量称量精确到0.5 g。

2 结果与讨论

2.1 涂层静摩擦系数

表3和表4分别是A涂层和B涂层封孔前静摩擦系数测量结果，表5和表6分别是A涂层和B涂层封孔后静摩擦系数测量结果。表中的要求值是参考技术指标规定值。可以看出，A涂层封孔前50循环和500循环，水态、干态和油态三个试样的静摩擦系数最小值依次降低，而封孔后50循环和500循环的静摩擦系数，干态、水态和油态三个试样的静摩擦系数最小值依次降低。封孔前后三种状态最小值依次降低顺序不同。表3中，A涂层50循环的干态静摩擦系数为0.91，不满足最小值≥0.95的要求，500循环的静摩擦系数都满足要求。表4中，B涂层50循环和500循环的静摩擦系数最小值都满足要求值。

表3 A涂层封孔前静摩擦系数测试结果

表4 B涂层封孔前静摩擦系数测试结果

由表5可见，A涂层50循环干态和油态最小值都低于要求值，500循环干态和水态最小值都低于要求值，因此不满足要求。表6显示，B涂层满足技术指标要求。封孔工艺对A涂层静摩擦系数整体性能有一定影响，但是对B涂层影响程度不大。只是在500循环磨损后，B涂层干态静摩擦系数从0.95下降到了0.91，下降程度偏大。但是封孔后，B涂层仍能满足技术要求，而A涂层部分指标低于技术要求。通过封孔前后静摩擦系数的对比，B涂层体现了比A涂层更优异的性能。在摩擦初始阶段，随着循环次数增加，摩擦系数下降，由于接触峰顶相互间发生磨损和塑性变形，引起摩擦副接触表面相互粘贴在一起，摩擦系数进一步降低。随着磨损循环次数增加，接触面积增大，磨损率降低，摩擦系数缓慢下降。

表5 A涂层封孔后静摩擦系数测试结果

表6 B涂层封孔后静摩擦系数测试结果

许多磨损粒子在这一过程中产生，磨损粒子作为三体磨损参与其中，经过塑性变形后的磨屑硬质颗粒对涂层有犁沟效应，由于Ni-20%Al涂层硬度较高，而且耐磨性好，随着磨损进行，表面形貌变化非常微小，此时摩擦系数变化浮动也很小，最后将会进入相对比较平稳的阶段。整个磨损过程中涂层磨损后的湿态摩擦系数变化较小。与干态相比，摩擦系数并没有由于水介质的存在而显著降低，而是摩擦系数有所提高。也就是说，水的存在使滑动变得更加困难。水的存在将会产生两种作用，一是在涂层上形成水膜，起到润滑作用；二是在滑动面间有水存在时，滑块上的橡胶在受压后挤出与涂层之间的空气形成负压吸附，这增加了滑动的困难性。由于水的黏度很小，润滑作用远不及负压吸附作用。所以涂层干态摩擦系数一般低于湿态摩擦系数。此外，在湿态时由于负压吸附起主导作用，因此涂层表面的状态对摩擦系数影响不是主要因素，在整个磨损过程中，Ni-20%Al涂层湿态摩擦系数浮动不大，并趋于一致[11]。

2.2 涂层滑动摩擦系数

对A涂层和B涂层分别进行50个循环磨损后干态、水态及油态滑动摩擦系数测试，每种状态测量都选4个试样，滑动摩擦系数取平均值，测量结果见表7，表中的静摩擦系数是封孔前50个循环的静摩擦系数最低值。由表7知，在干态滑动摩擦试验条件下，A、B两种涂层的滑动摩擦系数相比静摩擦系数均有下降，且A涂层下降幅度比B的大。水润湿条件下，A涂层和B涂层的滑动摩擦系数与干态滑动摩擦系数相比变化不大，为0.81和0.90；而油润湿滑动摩擦系数出现了下降，均为0.62。可见，摩擦介质影响着滑动摩擦系数。综合比较，相同摩擦副和摩擦介质条件下，滑动摩擦系数要小于静摩擦系数。B涂层的干态、水润湿条件下的滑动摩擦系数优于A涂层，在油润滑条件下，两种涂层滑动摩擦系数相差不大。

表7 A涂层和B涂层三种状态下的滑动摩擦系数测量结果

2.3 涂层耐磨性

对A和B两种涂层的耐磨性进行检测，表8为测量结果，其中A、B涂层试样各分为4组。磨损计算公式为涂层磨损值(%)=100×(M2-M3)/(M2-M1)。A涂层最大值为6.58%，平均值为4.18%。B涂层最大值为4.37%，平均值为1.78%。两种涂层磨损最大值都满足要求(小于10%)。根据涂层磨损值公式，磨损值越大，表明M2与M3的差值相比M2与M1的差值越大，失重越大，耐磨性越差，可见B涂层磨损后的失重平均值小于A涂层，因此B涂层耐磨性较好，这主要归因于涂层的相结构。面层Ni-20%Al涂层含有NiAl和Ni3Al金属间化合物，因此具有较高的硬度及较好的耐磨性。综上表明，采用Ni-20%Al作为面层时的耐磨性优于采用Ni-5%Al作为面层时的耐磨性能。

表8 A涂层和B涂层耐磨性测试数据结果

2.4 涂层磨损形貌

从磨损形貌中可知，在磨损初期，涂层表现一定程度的黏着磨损。当磨损50个循环时，涂层的黏着磨损较轻。磨损到300个循环时，Ni-Al涂层发生进一步磨损，不过形貌变化不大。进行到最后阶段，Ni-Al涂层磨损表面形貌依旧没有明显变化。

2.5 涂层磨损机理

摩擦副的两个表面之间发生直接接触时，微观接触面积的总和构成真实的接触面。在微观接触面范围内将形成较大的机械应力，摩擦副的切向相对运动使这些应力进一步强化。因此受到负荷作用的粗糙面凸峰发生弹塑性变形。涂层表面的吸附层和反应层会遭到破坏，它不一定发生在原始接触处，可能发生在摩擦副表面层边缘位置，这使摩擦副上的材料转移到另一方的摩擦副上，同时将会产生一些松脱磨粒。

对冷轧钢丝和Ni-20%Al涂层这对摩擦副，由于涂层中含有Ni3Al和NiAl相，冷轧钢丝高于涂层的显微硬度，因此发生黏着磨损。由于塑性材料抗黏着磨损能力不如脆性材料，塑性材料形成黏着结点的主要破坏形式是塑性流动，它在距离表面一定深度位置发生。由于脆性材料损伤的深度比较浅，磨屑容易脱落，从而不容易堆积在表面上。

根据强度理论，引起脆性材料破坏的主要原因是正应力，而引起塑性材料破坏的主要原因是切应力。在磨损过程中，表面接触的最大正应力是在摩擦副表面位置产生，在距离表面一定深度形成最大切应力，因此随着塑性增加，材料黏着性变得越严重。在室温下NiAl和Ni3Al金属间化合物塑性较低，按脆性材料分析，Ni-Al涂层磨屑细小，且磨损量小，不易堆积，所以磨损后期很难形成大颗粒微观切削。Ni-20%Al涂层在整个磨损过程中，磨损形貌变化较小，表现为黏着磨损，因此该涂层具有较高耐磨性[12,13]。