等离子喷涂NiAl-V2O5/CuO复合涂层的宽温域摩擦学行为
2022-04-25苟海龙贾均红陈体军杨杰何乃如陈威
苟海龙，贾均红，陈体军，杨杰，何乃如，陈威
等离子喷涂NiAl-V2O5/CuO复合涂层的宽温域摩擦学行为
苟海龙1,2，贾均红2,3，陈体军1，杨杰2，何乃如2，陈威2
（1.兰州理工大学 省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室，兰州 730050；2.陕西科技大学 机电工程学院，西安 710021；3.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）
以具有较好低温润滑性能的V2O5和CuO为复合润滑相，设计并制备在宽温域下具有良好摩擦学性能的NiAl基高温润滑耐磨涂层。采用大气等离子喷涂技术（APS）制备了不同配比的NiAl-V2O5/ CuO复合涂层，并探究其在宽温域内（RT～800 ℃）的摩擦学性能。利用SEM（扫描电子显微镜）、XRD（X射线衍射仪）和Raman（激光拉曼散射仪）等，分析了涂层在宽温域下的摩擦表面结构和物相变化及磨损机理。复合涂层为典型的等离子喷涂层状结构，氧化物分布较为均匀，随氧化物含量的增加，涂层孔隙率上升。复合涂层在宽温域内有良好的润滑性能，室温和高温（800 ℃）下NiAl-10% V2O5/CuO涂层的摩擦因数分别低至0.39和0.21。磨损率随复合氧化物含量的增加而增大，但在室温和高温段均较低，其中10% V2O5/CuO添加的复合涂层在室温和高温下的磨损率分别为4.3×10‒5mm3/(N∙m)和5.1×10‒5mm3/(N∙m)。高温摩擦促使三元氧化物Ni3V2O8、Cu3V2O8和CuV2O6的生成，这些新生相与CuO、V2O5、NiO等在磨损表面形成润滑层。V2O5/CuO的复配明显改善了涂层在室温和高温段的摩擦学性能，但随着氧化物含量的增加，涂层力学性能下降，磨损率随之增大。高温下涂层润滑性能的明显提升归因于磨损表面形成的三元氧化物高温润滑膜。
大气等离子喷涂；氧化物；宽温域；摩擦；润滑；磨损机理
随着航空航天发动机、燃气轮机等现代高新技术的快速发展，对关键运动部件在高温、高速和高载等苛刻工况下的润滑耐磨材料的要求越来越高[1-3]，相应的先进高温润滑耐磨材料则成为高温摩擦学研究的难点和热点之一[2]。针对高温工况条件，常规的固体润滑剂（如MoS2、石墨等）由于在制备及服役过程中发生高温氧化失效[4]，已经难以满足高温润滑要求。高温乃至宽温域下的有效润滑和耐磨损仍然是材料摩擦学研究的难点[5]。
许多氧化物由于其良好的结构和热力学稳定性，成为高温润滑剂的潜在首选材料[4,6-8]。近年来，一些金属氧化物和双金属氧化物作为高温固体润滑剂受到广泛关注[9]。对于氧化物润滑性能的研究，Erdemir[10-11]提出了离子势理论，用来解释二元氧化物的润滑行为，即具有高离子势的氧化物，其阴离子对阳离子有强的屏蔽作用，使得阳离子之间难以相互作用，导致氧化物普遍软化且熔点降低，从而带来良好的润滑性能。相反，具有较低离子势或阳离子场强度的氧化物（如Al2O3、ZrO2、MgO、ThO2）非常坚硬，即使在高温下也难以剪切，这是因为它们的阳离子之间形成了强的键合力，使它们非常坚固且难以剪切。Erdemir[11]在之后的研究中发现，在双氧化物体系中，离子势相差越大，其润滑性能越优异。根据离子势判据，笔者前期采用大气等离子喷涂技术（APS）分别制备了NiAl基MoO3/CuO涂层[12]和MoO3/BaO涂层[13]，结果显示，在高温时MoO3/CuO复合涂层具有良好的摩擦学性能，但RT～200 ℃下摩擦因数保持在0.6以上；同样MoO3/BaO复合涂层在高温下有好的润滑性能，但低温摩擦学性能仍不理想。进一步通过氧化物结构纳米化制备的NiAl-TiO2/Bi2O3涂层[14]，其明显改善了涂层的层状结构和涂层强度，并在高温下实现了减摩，但室温和200 ℃下的摩擦因数分别为0.55、0.72，低温段的润滑性能仍然较差。综上可以看出，基于离子势判据的复合氧化物的添加可极好地起到高温润滑作用，但低温段摩擦学性能却未能改善，进而如何保证低温下涂层良好的润滑性能仍是亟需解决的难题。
本文根据氧化物离子势判据，在前期研究的基础上，探索低熔点氧化物复配设计，以期进一步改善涂层的宽温域摩擦学性能。选择具有低剪切强度的CuO[15-17]及低熔点（680 ℃）且具有易于剪切的层状结构的V2O5作为复合润滑相，以期改善涂层低温阶段的润滑性能[18-19]。同时，根据离子势判据，V2O5（=8.4）和CuO（=2.8）具有较大的离子势差，二者复配时预期具有良好的高温润滑性能。选择具有良好抗氧化性能、高熔点和耐高温蠕变的NiAl作为基体相[20-21]，采用大气等离子喷涂技术制备NiAl-V2O5/ CuO（NAVC）复合涂层，考察复配氧化物的添加量对复合涂层截面微观形貌、力学性能及宽温域摩擦学性能的影响，详细分析涂层在宽温域下的磨损表面形貌和物相变化，阐明涂层在宽温域内的润滑和磨损机理。
1 试验
1.1 涂层制备
选用Inconel 718高温合金作为涂层基底材料，试样直径为28 mm，高度为8 mm。选择 NiAl（北矿新材 KF-6）粉末为涂层基体相，以市售试剂级V2O5和CuO为润滑添加相，在高温下可能生成的润滑相为Cu3V2O8。经计算，当V2O5和CuO质量比为1∶1时，所得物质的量比近似1∶1，故V2O5和CuO配比采用质量比1∶1。因市售的V2O5和CuO粉末粒径过细，流动性差，不可用于等离子喷涂，故需进行团聚处理。将V2O5和CuO粉末与无水乙醇混合，60～80 ℃下烘干，粉末团聚为块状固体，后经机械破碎，再经2次筛分（筛孔直径分别为78 μm和38 μm），得到粒径为38～78 μm的团聚粉末。处理前后粉末形貌如图1所示。
图1 粉末处理前后的形貌
将复合原料粉末在三维混合仪（M10，Grinder，CHINA）中混合10 h，以确保喷涂时各成分均匀混合。将基体喷涂面用砂纸打磨平整后喷砂处理，之后用无水乙醇超声清洗3次（每次15 min），以保证喷涂面洁净。基底上先喷涂一层约100 µm的NiAl打底层，以降低涂层和基底之间因膨胀系数不同而造成的应力并增加涂层结合强度。使用APS喷涂设备（9MC，SulZer Metco，USA）进行试样喷涂，具体参数如表1所示。不同复合氧化含量的3种复合涂层分别标志为NAVC1、NAVC2和NAVC3，具体成分见表2。
表1 涂层喷涂参数
Tab.1 Parameters of spraying equipment
表2 复合涂层的成分及力学性能
Tab.2 Composition and mechanical properties of the composites coatings
1.2 涂层表征和性能测试
用HV-1000显微硬度仪对复合涂层的硬度进行测定，负载为3 N，保压时间为10 s，随机选择5个测试点，求取平均值。依照ASTMC633-01标准，使用（WDW-200）万能材料试验机测量材料的结合强度，样品直径为25.4 mm，拉伸速率为0.5 mm/min。利用HT-1000球盘式高温磨擦机测定涂层的摩擦学性能，以Al2O3球（硬度为1 650Hv，密度为3.92 g/cm3）为对偶试样，测试温度分别为RT、200、400、600、800 ℃，负载为10 N，转速为400 r/min，旋转半径为5 mm，持续时间为60 min。每个氧化物配比进行3次试验，以保证摩擦学性能数据的重复性，摩擦因数取试验平均值。测试前将试样用抛光机打磨，之后用无水乙醇清洗10 min，确保其表面平整，并防止表面污染对试样的摩擦磨损性能造成影响。
使用DSX-510超景深显微镜测定磨损轨道截面积（），随机取5个点，求平均值，并由公式/()计算磨损率（为磨损率、为磨痕周长、为载荷、为行程长度）。采用X射线衍射仪（XRD，Smart Lab 9 kW，日本）分析摩擦表面物相，铜靶Kα射线，扫描速度为5 (°)/min，扫描范围为20°～80°，加载电压为40 kV，电流为150 mA。采用THEM激光拉曼散射仪（Raman，DXRxi，美国）分析磨痕内外、对偶球表面的物相组成，激发波长为532 nm。采用TESCAN公司生产的TESCAN Vega2型扫描电子显微镜和X 射线能谱仪对涂层的截面及磨损区域进行分析。
2 结果与讨论
2.1 力学性能和微观结构
图2为复合涂层的横截面扫描电镜形貌。可以看出，涂层以典型的层状组织铺叠构成，氧化物多以带状分布在片层之间，在涂层中分布较为均匀，这样有利于持续润滑。孔隙率随氧化物含量的增加而增大，NAVC1、NAVC2、NAVC3的孔隙率分别为5.17%、9.27%和12.61%。由EDS图像能够看到，涂层中的浅灰色区域主要由CuO构成，深灰色区域和少量的黑色区域分别为V2O5和Al2O3，其中Al2O3的生成主要是因为NiAl基体中Al在喷涂过程中的氧化。涂层中的孔隙主要集中在深灰色区域，这可能与V2O5属于低熔点氧化物（680 ℃）且与NiAl的熔点相差过大有关。
表2给出了NAVC涂层的力学数据和孔隙率。可以看出，随复配氧化物含量的增加，涂层显微硬度从211.2Hv降至172.7Hv，结合强度从40.3 MPa降至35.8 MPa。另外，测试了经100 h、800 ℃高温氧化后的涂层结合强度，相比于原始涂层，结合强度有不同程度的下降。NAVC1涂层在3种配比中具有最高的硬度和结合强度。涂层硬度降低一方面在于氧化物含量升高导致孔隙率增大，致密性降低；另一方面在于软质氧化物自身硬度较低，随其含量的增加，涂层发生软化。而涂层结合强度主要由热喷涂片层间的结合强度和涂层与基体间的结合强度决定[22-23]。氧化物片层的力学性能较差，且在喷涂过程中氧化物颗粒受热时间短，不能充分熔融，因此不能很好地黏结上下金属片层。氧化物含量的增加导致涂层结合强度下降。另外，V2O5（680 ℃）和CuO（1 326 ℃）的熔点相差较大，导致各物相之间的内聚强度偏低，也降低了涂层的机械强度[13]。
图2 复合涂层的截面扫描电镜形貌
在经过100 h、800 ℃高温氧化后，涂层的结合强度有所降低。其中，NAVC1涂层的结合强度由40.3 MPa下降至36.3 MPa，变化并不明显，但NAVC2和NAVC3涂层则发生了剧烈下降，NAVC3涂层的结合强度由35.8 MPa降至16.2 MPa。为了进一步分析涂层在高温下所发生的变化，图3给出了3种涂层经100 h、800 ℃高温氧化后的横截面形貌。如图3a所示，NAVC1经高温氧化后未发生明显变化，保持了其片层状特征结构，并由EDS面扫描图像能够发现，主要氧化物为V2O5、CuO和Al2O3，涂层整体并未受到严重氧化。但随涂层复合氧化物含量的升高，NAVC2（图3b）截面形貌发生了明显变化，其片层状结构消失，疏松的氧化组织深入涂层内部，并由EDS面扫描图像能够看到，氧元素在涂层截面均匀密集分布，这表明涂层整体受到严重氧化。相较于前两者，NAVC3涂层（图3c）出现了更严重的破坏，涂层截面生成了连续疏松的氧化组织，且出现了大量裂纹。由EDS面扫描图像发现，氧元素在截面上呈连续密集分布，涂层整体受到严重的氧化腐蚀。氧化组织和裂纹的出现是造成涂层力学性能下降的主要原因。各涂层在高温下产生以上差异性的原因可能在于涂层属于多孔组织，随复合氧化物含量的升高，涂层孔隙率升高，过高的孔隙率会使得氧气容易侵入到涂层内部，在高温下使得涂层基体发生氧化，从而破坏了涂层的结构和力学性能。而NAVC1具有较低的孔隙率，涂层结构较为致密，能够有效防止氧气渗透，保持了较好的力学性能。
图3 800 ℃高温氧化后复合涂层截面的扫描电镜形貌
2.2 摩擦学性能
图4给出了复合涂层各温度下的摩擦因数和磨损率。可以看出，纯NiAl涂层在RT～600 ℃内的摩擦因数约为0.55，800 ℃时，保持在0.45左右。加入V2O5和CuO后，复合涂层的室温和高温摩擦学性能得到了明显的改善，在整个温度区间内，NAVC涂层的摩擦因数均表现出先上升后下降的趋势，室温下NAVC涂层的平均摩擦因数均约为0.41，之后在200 ℃时达到最高（约0.48）并逐渐下降，400 ℃时降至约0.36，800 ℃达到最低。其中NAVC1复合涂层各温度下的摩擦因数均最低，室温和800 ℃时的摩擦因数分别为0.39和0.21。
图4 复合涂层在不同测试温度下的摩擦因数和磨损率
从以上能够得出，相较于NiAl-MoO3/CuO[12]、NiAl-MoO3/BaO[13]和NiAl-TiO2/Bi2O3[14]体系，NAVC涂层在RT～400 ℃范围内的摩擦因数明显下降。纯NiAl涂层和NAVC涂层的磨损率变化具有相似的规律，均随温度的升高呈先升高后降低的趋势，不同的是NiAl涂层的磨损率在600 ℃时达到最大值，而NAVC涂层则在400 ℃下达到最大值[>10‒4mm3/(N∙m)]，且600 ℃后复合涂层的磨损率明显低于纯NiAl涂层。产生以上差异性的原因可能与NAVC涂层的氧化物添加剂在600 ℃后生成三元氧化物润滑膜有关。3种NAVC涂层磨损率的变化趋势相同，其中NAVC1在整个温度区间内保持了较好的抗磨性能，室温下低至4.3×10‒5mm3/(N∙m)，800 ℃下为5.1×10‒5mm3/(N∙m)，但400 ℃达到最高值11.7×10‒5mm3/(N∙m)，这相对之前的工作[12-14]，具有较好的性能。NAVC涂层摩擦因数和磨损率的变化并不相同，摩擦因数与磨损率在低温段（RT～200 ℃）的升高可能与NiAl氧化生成了硬质相 NiO 和Al2O3，并引起剧烈摩擦有关。随温度升高至400 ℃时，低熔点氧化物（V2O5熔点680 ℃）开始发生软化，使得涂层表面生成易剪切的摩擦层，在降低摩擦因数的同时，加剧了塑性变形和磨粒磨损。600～800 ℃下，随温度的升高，三元氧化物润滑膜开始生成，磨损率和摩擦因数同时下降。NAVC1具有较好的耐磨性能可能与氧化物含量较少，涂层具有较好的力学性能有关。涂层氧化物含量过大导致的低结合力和低硬度增加了磨损率。由以上分析可知，适当添加V2O5/CuO复合氧化物能够明显提升NiAl涂层的室温和高温摩擦学性能，而这可能归于以下原因：V2O5和CuO属于软质氧化物，剪切强度低；V2O5具有层状结构，两者在低温下具有良好的润滑性能；在高温下，据Erdemir的晶体化学结构模型，V2O5和CuO易生成具有良好润滑性能的三元氧化物，且氧化物在较高温度区间内会发生软化（材料的软化发生在熔点的0.4～0.7倍之间）并形成氧化物摩擦层，起到了润滑作用[24-25]。
2.3 磨损表面形貌分析
图5给出了各温度下NAVC涂层的磨损形貌。室温下磨痕表面（图5a1、图5b1、图5c1）分布大量的微裂纹，其中NAVC2和NAVC3表面（图5b1、图5c1）有明显的剥落，这可能是由于等离子喷涂沉积片层间的结合力较弱，在磨擦作用下，裂纹在剪切应力最大的亚表面萌生，沿片层扩展，最终到达表面[22,26]，当裂纹贯穿后，会形成分层和剥落。NAVC1（图5a1）只存在少量的剥落痕迹，犁沟大量存在，造成NAVC1磨损的主要原因是磨粒磨损，而NAVC2和NAVC3（图5b1、图5c1）则以剥层磨损为主。200 ℃下所有涂层（图5a2、图5b2、图5c2）的磨损形貌变得粗糙，表面有大量剥落坑和犁沟分布，磨损机理主要为磨粒磨损和剥层磨损，这对应了3种NAVC涂层逐渐增大的磨损率。400 ℃时，涂层表面（图5a3、图5b3、图5c3）存在大量由磨屑挤压形成的不连续的摩擦层，这种摩擦层能有效降低摩擦因数，但磨粒磨损严重，这解释了该温度下摩擦因数降低而磨损率升高的原因。当温度升至600 ℃时，NAVC涂层表面（图5a4、图5b4、图5c4）出现了明显的脆-塑转变，表面变得光滑且有不连续的润滑膜产生，摩擦因数进一步降低。NAVC1表面（图5a4）出现了润滑膜剥离现象，主要磨损机理为剥层磨损和塑性变形。而NAVC2和NAVC3（图5b4、图5c4）涂层磨损面上散布有少量的磨屑和犁沟，磨损机理为塑性变形和磨粒磨损。磨粒磨损的存在，对应了NAVC2和NAVC3涂层较高的磨损率。800 ℃下NAVC涂层均有连续致密的润滑膜覆盖，润滑膜的生成有效改善涂层的高温摩擦学性能，主要磨损机理为塑性变形。
2.4 磨损表面物相分析
图6给出了各温度下NAVC1涂层的XRD图谱。在400 ℃以下涂层的主要物相为CuO、V2O5、Ni、NiO。当温度达到600 ℃时，衍射峰开始发生明显的变化，出现了CuV2O6、Cu3V2O8、Ni3V2O8等新生相。钒酸铜类氧化物通常具有良好的润滑性能[24]，这主要归因于钒酸盐易剪切的层状结构和较低的V—O键能[27-29]。800 ℃时，各新生相的衍射峰明显增强，三元氧化物含量增加，这解释了该温度下磨痕形貌的光滑和致密。为了详细考察物相随温度的变化，对磨痕用拉曼光谱仪进行进一步分析，如图7所示，发现室温时出现了CuO和V2O5的特征峰，待升温至200 ℃后，出现了强烈的NiO吸收峰，这对应了此温度下涂层磨损率和摩擦因数的升高。600 ℃时图谱开始出现明显变化，在141 cm‒1和256 cm‒1处出现了Cu3V2O8的特征峰，290 cm‒1和385 cm‒1处的峰归于CuV2O6，824 cm‒1处出现了明显的Ni3V2O8特征峰。这意味着在600 ℃时，摩擦表面开始生成三元氧化物，这与此温度下磨痕出现不连续的润滑膜相对应。
图8给出了800 ℃下磨损表面、未磨损区域和对偶试样转移膜的Raman图谱。通过图8a能够清楚发现，800 ℃下磨痕内部图谱上三元氧化物峰强明显加强，主要由CuV2O6、Cu3V2O8、Ni3V2O8、CuO、NiO、V2O5构成，但磨痕外部无明显三元氧化物吸收峰，这说明三元氧化物的生成归因于高温摩擦诱导形成。这些氧化物在高温下共同作用，使得涂层的摩擦学性能明显提升。而对偶面上的转移膜以CuV2O6、CuO和Ni3V2O8为主（图8b）。转移膜的出现使得摩擦副之间发生隔离，避免了直接接触和异质间的摩擦，这不但能够减小摩擦因数，而且可以降低磨损率[30]。
图5 NAVC涂层在不同温度下的磨痕形貌
图6 各温度下 NAVC1复合涂层磨痕的 XRD图谱
图7 NAVC1复合涂层在RT～600 ℃下的磨损表面拉曼图谱
图8 NAVC1在800 ℃下的磨痕内部和外部的拉曼图谱（a）及对偶球磨损表面的拉曼图谱（b）
3 结论
1）等离子喷涂NiAl-V2O5/CuO复合涂层由片层状粒子交叠构成。随氧化物含量的升高，涂层孔隙率上升，具有较差力学性能的氧化物片层数目增加，导致涂层的结合强度和硬度明显降低，但总体结合强度保持在35 MPa以上。3种涂层在经过长时间的高温氧化试验后，其结合强度有不同程度的下降，这与基体材料在高温下的氧化有关。经过试验，氧化物添加量为10%时，涂层相较于其余2种配比具有更好的力学性能，且在经过高温氧化后仍然保持了较高的结合强度。
2）V2O5/CuO的添加能够有效改善涂层的室温和高温摩擦学性能，其中添加10% V2O5/CuO的NiAl涂层与其余2种配比涂层相比，具有较好的室温和高温摩擦学性能，RT和800 ℃时的摩擦因数分别低至0.39和0.21，磨损率分别为4.3×10−5mm3/(N∙m)和5.1×10−5mm3/(N∙m)。
3）低熔点的氧化物V2O5和CuO的复配添加有利于改善复合涂层室温时的摩擦因数，而高温（800 ℃）下摩擦因数和磨损率的降低主要归因于磨损表面生成由Ni3V2O8、Cu3V2O8、CuV2O6、NiO等物相组成的润滑膜的协同润滑作用，同时对偶表面形成了以CuV2O6、CuO和Ni3V2O8为主的转移膜，这些膜层能够将摩擦副分隔，从而起到润滑减摩的作用。
[1] ZHU Sheng-yu, CHENG Jun, QIAO Zhu-hui, et al. High Temperature Solid-Lubricating Materials: A Review[J]. Tribology International, 2019, 133: 206-223.
[2] 熊党生, 李建亮. 高温摩擦磨损与润滑[M]. 西安: 西北工业大学出版社, 2013: 2.
XIONG Dang-sheng, LI Jian-liang. High Temperature Friction and Wear Lubrication[M]. Xi'an: Northwestern Polytechnical University Press, 2013: 2.
[3] 李珍, 张亚丽, 周健松, 等. Ni-Mo基高温自润滑复合材料摩擦学性能的研究[J]. 摩擦学学报, 2018, 38(2): 161-169.
LI Zhen, ZHANG Ya-li, ZHOU Jian-song, et al. Tribological Properties of Ni-Based High Temperature Self-Lubricating Composite[J]. Tribology, 2018, 38(2): 161-169.
[4] STONE D S, HARBIN S, MOHSENI H, et al. Lubricious Silver Tantalate Films for Extreme Temperature Applications[J]. Surface and Coatings Technology, 2013, 217: 140-146.
[5] 周琪, 卢礼灿, 易戈文, 等. 等离子喷涂Cr3C2/NiCr金属陶瓷基高温润滑涂层的摩擦学行为研究[J]. 表面技术, 2019, 48(8): 212-217.
ZHOU Qi, LU Li-can, YI Ge-wen, et al. Tribological Behavior of Plasma Sprayed Cr3C2/NiCr Cermet Based High Temperature Lubrication Coatings[J]. Surface Technology, 2019, 48(8): 212-217.
[6] AOUADI S M, GAO H, MARTINI A, et al. Lubricious Oxide Coatings for Extreme Temperature Applications: A Review[J]. Surface and Coatings Technology, 2014, 257: 266-277.
[7] LIU Er-yong, GAO Yi-min, WANG Wen-zhen, et al. Effect of Ag2Mo2O7Incorporation on the Tribological Characteristics of Adaptive Ni-Based Composite at Elevated Temperatures[J]. Tribology Transactions, 2013, 56(3): 469-479.
[8] GULBIŃSKI W, SUSZKO T. Thin Films of MoO3-Ag2O Binary Oxides—The High Temperature Lubricants[J]. Wear, 2006, 261(7-8): 867-873.
[9] 刘二勇, 贾均红, 高义民, 等. 宽温域连续润滑材料的研究进展[J]. 中国表面工程, 2015, 28(4): 1-13.
LIU Er-yong, JIA Jun-hong, GAO Yi-min, et al. Progress of Continuous Lubricating Materials over a Wide Temperature Range[J]. China Surface Engineering, 2015, 28(4): 1-13.
[10] ERDEMIR A. A Crystal-Chemical Approach to Lubrication by Solid Oxides[J]. Tribology Letters, 2012, 8(2): 97-102.
[11] ERDEMIR A. A Crystal Chemical Approach to the Formulation of Self-Lubricating Nanocomposite Coatings[J]. Surface and Coatings Technology, 2005, 200(5-6): 1792- 1796.
[12] YAO Qian-qian, JIA Jun-hong, CHEN Ti-jun, et al. High Temperature Tribological Behaviors and Wear Mechanisms of NiAl-MoO3/CuO Composite Coatings[J]. Surface and Coatings Technology, 2020, 395: 125910.
[13] 姚仟仟, 苟海龙, 贾均红, 等. 等离子喷涂NiAl-MoO3/ BaO复合涂层的高温摩擦学性能及润滑机理研究[J]. 表面技术, 2020, 49(11): 93-100.
YAO Qian-qian, GOU Hai-long, JIA Jun-hong, et al. Tribological Properties and Lubrication Mechanisms of Plasma Sprayed NiAl-MoO3/BaO Composite Coatings at High Temperature[J]. Surface Technology, 2020, 49(11): 93-100.
[14] WANG Xin-peng, FENG Xiao-chun, LU Cheng, et al. Mechanical and Tribological Properties of Plasma Sprayed NiAl Composite Coatings with Addition of Nanostructured TiO2/Bi2O3[J]. Surface and Coatings Technology, 2018, 349: 157-165.
[15] ÖSTERLE W, PRIETZEL C, KLOß H, et al. On the Role of Copper in Brake Friction Materials[J]. Tribology International, 2010, 43(12): 2317-2326.
[16] HOLMBERG K, MATTHEWS A, RONKAINEN H. Coatings Tribology—Contact Mechanisms and Surface Design[J]. Tribology International, 1998, 31(1-3): 107-120.
[17] SONG Jiu-peng, VALEFI M, DE ROOIJ M, et al. The Effect of an Alumina Counterface on Friction Reduction of CuO/3Y-TZP Composite at Room Temperature[J]. Wear, 2012, 274-275: 75-83.
[18] GULBIŃSKI W, SUSZKO T, PAILHAREY D. High Load AFM Friction and Wear Experiments on V2O5Thin Films[J]. Wear, 2003, 254(10): 988-993.
[19] REESWINKEL T, MUSIC D, SCHNEIDER J M. Initiocalculations of the Structure and Mechanical Properties of Vanadium Oxides[J]. Journal of Physics: Condensed Matter, 2009, 21(14): 145404.
[20] YAMAGUCHI M, INUI H, ITO K. High-Temperature Structural Intermetallics[J]. Acta Materialia, 2000, 48(1): 307-322.
[21] 唐中杰, 郭铁明, 付迎, 等. 镍基高温合金的研究现状与发展前景[J]. 金属世界, 2014(1): 36-40.
TANG Zhong-jie, GUO Tie-ming, FU Ying, et al. ResearchPresent Situation and the Development Prospect of Nickel- Based Superalloy[J]. Metal World, 2014(1): 36-40.
[22] LI Guang-rong, YANG Guan-jun, LI Cheng-xin, et al. Force Transmission and Its Effect on Structural Changes in Plasma-Sprayed Lamellar Ceramic Coatings[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2017, 37(8): 2877-2888.
[23] 颜建辉, 李益民, 张厚安, 等. 镍基合金表面二硅化钼复合涂层的制备和性能[J]. 中国有色金属学报, 2012, 22(10): 2839-2845.
YAN Jian-hui, LI Yi-min, ZHANG Hou-an, et al. Preparation and Properties of Molybdenum Disilicide Composites Coatings on Surface of Nickel-Based Alloy[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2012, 22(10): 2839-2845.
[24] GULBIŃSKI W, SUSZKO T, SIENICKI W, et al. Tribological Properties of Silver- and Copper-Doped Transition Metal Oxide Coatings[J]. Wear, 2003, 254(1-2): 129-135.
[25] SUSZKO T, GULBIŃSKI W, JAGIELSKI J. The Role of Surface Oxidation in Friction Processes on Molybdenum Nitride Thin Films[J]. Surface and Coatings Technology, 2005, 194(2-3): 319-324.
[26] GUO Tao, CHEN Yan-meng, CAO Ruo-han, et al. Cleavage Cracking of Ductile-Metal Substrates Induced by Brittle Coating Fracture[J]. Acta Materialia, 2018, 152: 77-85.
[27] 曹彦宁. 新型多聚硼钒酸盐材料的合成和结构化学[D]. 福州: 福州大学, 2005.
CAO Yan-ning. Synthesis and Structure Chemistry of the Novel Polyborate Vanadate Materials[D]. Fuzhou: Fuzhou University, 2005.
[28] STONE D, LIU J, SINGH D P, et al. Layered Atomic Structures of Double Oxides for Low Shear Strength at High Temperatures[J]. Scripta Materialia, 2010, 62(10): 735-738.
[29] FRANZ R, MITTERER C. Vanadium Containing Self- Adaptive Low-Friction Hard Coatings for High-Temperature Applications: A Review[J]. Surface and Coatings Technology, 2013, 228: 1-13.
[30] 胡俊宏, 李庆忠, 丁津原, 等. 磷(膦)之星极压复合添加剂的摩擦特性的研究[J]. 润滑与密封, 2005, 30(2): 33-34.
HU Jun-hong, LI Qing-zhong, DING Jin-yuan, et al. The Study on Friction Property of Two Extreme Pressure Packages of P Family[J]. Lubrication Engineering, 2005, 30(2): 33-34.
Tribological Behaviors of Plasma Sprayed NiAl-V2O5/CuO Composite Coatings at Wide Temperature Range
1,2,2,3,1,2,2,2
(1. Co-constructing State Key Laboratory by Province of Advanced Processing and Recycling of Nonferrous Metal, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China; 2. College of Mechanical & Electrical Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi’an 710021, China; 3. State Key Laboratory of Solid Lubrication, Lanzhou Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China)
This work aims to design and prepare NiAl based high temperature lubricating and wear-resistant coatings with good tribological properties in a wide temperature range using V2O5and CuO as composite lubricating phases. The composite coatings with different mass ratios are fabricated by atmospheric plasma spraying technology (APS), and investigated tribological properties in a wide temperature range (RT～800 ℃); used SEM (scanning electron microscope), XRD (X-ray diffraction) and Raman (laser Raman scattering) to analyze the friction surface structure, phase change and wear mechanism of the coating in a wide temperature range. The composite coating is a typical plasma sprayed layered structure, and the oxide distribution is relatively uniform. With the increase of oxide content, the porosity of the coating increases; The composite coating has good lubrication performance in a wide temperature range. The friction coefficients of nial-10wt.% V2O5/CuO coating at room temperature and high temperature (800 ℃) are as low as 0.39 and 0.21 respectively. The wear rate increases with the increase of composite oxide content, but it is low at room temperature and high temperature. The wear rate of composite coating added with 10wt.% V2O5/CuO is 4.3×10‒5mm3/(N∙m) and 5.1×10‒5mm3/(N∙m) at room temperature and high temperature respectively. High temperature friction promotes the formation of ternary oxides Ni3V2O8,Cu3V2O8and CuV2O6. These new phases form a lubricating layer on the wear surface with Cuo, V2O5and NiO. The combination of V2O5/CuO significantly improved the tribological properties of the coating at room temperature and high temperature, but with the increase of oxide content, the mechanical properties of the coating decreased and the wear rate increased. The obvious improvement of the lubricating performance of the coating at high temperature is attributed to the ternary oxide high temperature lubricating film formed on the wear surface.
atmospheric plasma spraying; oxide; wide temperature range; friction; lubrication; wear mechanism
TH117
A
1001-3660(2022)04-0112-09
10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.04.010
2021-02-05；
2021-08-19
2021-02-05；
2021-08-19
国家自然科学基金（51575505，51675508）；陕西省重点研发计划项目（2019GY-173）
The National Natural Science Foundation of China (51575505, 51675508); Key R & D Projects of Shaanxi Province (2019GY-173)
苟海龙（1994—），男，硕士研究生，主要研究方向为高温润滑耐磨涂层。
GOU Hai-long (1994—), Male, Postgraduate, Research focus: high temperature lubrication coatings.
贾均红（1974—），男，博士，教授、博导，主要研究方向为摩擦学及表面技术。
JIA Jun-hong (1974—), Male, Ph. D., Professor, Ph. D. supervisor, Research focus: tribology and surface technology.
苟海龙, 贾均红, 陈体军, 等. 等离子喷涂NiAl-V2O5/CuO复合涂层的宽温域摩擦学行为[J]. 表面技术, 2022, 51(4): 112-120.
GOU Hai-long, JIA Jun-hong, CHEN Ti-jun, et al. Tribological Behaviors of Plasma Sprayed NiAl-V2O5/CuO Composite Coatings at Wide Temperature Range[J]. Surface Technology, 2022, 51(4): 112-120.
责任编辑：万长清
