简介概要

热喷涂合成Fe₃Al基涂层的高温摩擦学特性

来源期刊：中国有色金属学报2003年第4期

论文作者：田保红刘平徐滨士马世宁张伟李诗卓

文章页码：974 - 978

关键词：热喷涂合成； Fe₃Al基涂层；高温摩擦学

Key words：thermal spray formation; Fe₃Al-based coating; tribology at elevated temperature

摘要：采用自制的新型热喷涂粉芯丝材和高速电弧喷涂技术成功制备出Fe₃Al金属化合物基合金涂层，对涂层的组织、成分和相结构进行了初步分析，并测试了涂层在室温至650℃的摩擦学特性。结果表明： Fe₃Al涂层的基体相由含29%Al（摩尔分数）的Fe₃Al和FeAl二相混合物组成， Fe₃Al/WC涂层基体为Fe-26%Al（摩尔分数）合金；添加少量WC硬质相的Fe₃Al/WC涂层具有良好的高温减摩特性和耐磨性， 450℃和650℃其相对耐磨性分别比20g钢高1.92倍和9.23倍； WC/W₂C硬质相对Fe₃Al基体的强化作用，以及涂层表面形成具有自保护作用的高硬度致密氧化膜是Fe₃Al/WC涂层高温耐磨性提高的主要原因。

Abstract: Two kinds of novel cored wires for producing Fe₃Al-based intermetallic compound alloy coatings by using high velocity arc spray technique were developed. The microstructure, chemical composition and phase structure of Fe₃Al-based coatings were investigated. The tribological properties of thermal spray formed Fe₃Al-based coatings at temperature ranging up to 650℃ were determined on a pin-on-disk type wear tester. Results show that: the matrix consists of Fe₃Al and FeAl phases, which have the average chemical composition of 29%Al(mole fraction); the matrix of Fe₃Al/WC composite coating consists of 26%Al(mole fraction); Fe₃Al/WC composite coating exhibits excellent friction reduction and wear resistance at elevated temperature. The relative wear resistance of Fe₃Al/WC composite coating is 1.92 times and 9.23 times higher than that of the mild steel at temperature of 450℃ and 650℃, respectively. The main reasons for wear resistance improvement are the reinforcement of WC/W₂C hard particles to the Fe₃Al alloy matrix and the formation of self-protective continuous oxide film on the composite coating surface at elevated temperature.

中国有色金属学报 2003,(04),974-978 DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2003.04.030

热喷涂合成Fe₃Al基涂层的高温摩擦学特性

田保红刘平徐滨士马世宁张伟李诗卓

河南科技大学材料科学与工程学院,河南科技大学材料科学与工程学院,装甲兵工程学院材料科学与工程系,装甲兵工程学院材料科学与工程系,装甲兵工程学院材料科学与工程系,中国科学院金属研究所洛阳471003 ,洛阳471003 ,北京100072 ,北京100072 ,北京100072 ,沈阳110015

摘要：

采用自制的新型热喷涂粉芯丝材和高速电弧喷涂技术成功制备出Fe3Al金属化合物基合金涂层,对涂层的组织、成分和相结构进行了初步分析,并测试了涂层在室温至650℃的摩擦学特性。结果表明:Fe3Al涂层的基体相由含29%Al(摩尔分数)的Fe3Al和FeAl二相混合物组成,Fe3Al/WC涂层基体为Fe 26%Al(摩尔分数)合金;添加少量WC硬质相的Fe3Al/WC涂层具有良好的高温减摩特性和耐磨性,450℃和650℃其相对耐磨性分别比20g钢高1.92倍和9.23倍;WC/W2C硬质相对Fe3Al基体的强化作用,以及涂层表面形成具有自保护作用的高硬度致密氧化膜是Fe3Al/WC涂层高温耐磨性提高的主要原因。

关键词：

热喷涂合成;Fe3Al基涂层;高温摩擦学;

中图分类号： TG174.44

作者简介：田保红(1967),男,副教授,博士,河南科技大学124信箱;电话:03794229405;Email:tianbh@mail.haust.edu.cn;

收稿日期：2002-09-02

基金：国家自然科学基金资助项目(50005024);

Tribological properties of thermal spray formed Fe₃Al-based coatings at elevated temperature

Abstract：

Two kinds of novel cored wires for producing Fe3Albased intermetallic compound alloy coatings by using high velocity arc spray technique were developed. The microstructure, chemical composition and phase structure of Fe3Albased coatings were investigated. The tribological properties of thermal spray formed Fe3Albased coatings at temperature ranging up to 650 ℃ were determined on a pinondisk type wear tester. Results show that: the matrix consists of Fe3Al and FeAl phases, which have the average chemical composition of 29%Al(mole fraction); the matrix of Fe3Al/WC composite coating consists of 26%Al(mole fraction); Fe3Al/WC composite coating exhibits excellent friction reduction and wear resistance at elevated temperature. The relative wear resistance of Fe3Al/WC composite coating is 1.92 times and 9.23 times higher than that of the mild steel at temperature of 450 ℃ and 650 ℃, respectively. The main reasons for wear resistance improvement are the reinforcement of WC/W2C hard particles to the Fe3Al alloy matrix and the formation of selfprotective continuous oxide film on the composite coating surface at elevated temperature.

Keyword：

thermal spray formation; Fe₃Al-based coating; tribology at elevated temperature;

Received： 2002-09-02

Fe₃Al金属间化合物合金具有密度低、优良的抗氧化性、抗硫化性和较高的高温强度, 且不含贵重合金元素, 是一种具有良好技术经济性的高温合金 ^[1,2] 。研究发现, 常温下Fe₃Al合金在水环境下的磨粒磨损性能与其表层氢含量和有序结构类型有关 ^[3] 。颗粒相的加入改善了VC和TiC颗粒增强Fe₃Al基合金的组织和性能 ^[4] 。但Fe₃Al合金的本质脆性 ^[5] 使其工业应用受到极大限制, 鲜有Fe₃Al合金用于金属构件的高温表面防护方面的报道 ^[6] 。为开拓其在涂层防护方面的新应用领域, 充分发挥Fe₃Al合金的优良高温特性, 本文作者研制出一类新型粉芯丝材, 通过高速电弧喷涂的快速冶金反应生成高致密度的Fe₃Al合金涂层 ^[7,8] 和以Fe₃Al金属间化合物合金为基的复合材料涂层——Fe₃Al/WC, 用于金属结构的高温冲蚀 ^[8] 和耐磨防护。

1 实验

热喷涂材料为自制的Fe₃Al和Fe₃Al/WC新型粉芯丝材, 试样基体材料为20 g钢。

将Fe₃Al 和Fe₃Al/WC粉芯丝材用HAS-01型高速电弧喷涂设备进行喷涂, 工艺参数为: 喷涂电压32 V, 喷涂电流120~180 A, 喷涂距离250~300 mm, 雾化压力0.40~0.43 MPa。

涂层组织和微区成分分析分别在CSM-950型扫描电子显微镜(SEM)和TRACOR Northern型能谱仪(EDS)上进行。涂层相结构分析在D/max-RB型X射线衍射仪(XRD)上进行, 衍射条件为: CuK_α, 加速电压40 kV, 束流80 mA。

高温滑动磨损试验在中国科学院金属研究所的GW/ML-MS型高温销盘摩擦磨损试验机上进行, 试验机结构如图1所示 ^[9] 。下试样为盘状试样, 尺寸为d 60 mm×6 mm, 磨痕直径为30 mm。试样单面喷涂, 涂层磨削后厚约0.5 mm。上试样为直径12.7 mm白刚玉陶瓷球。陶瓷球的相对滑动线速度为0.15 m/s。试验温度25~650 ℃, 法向载荷29.4 N。试验程序为: 试样保温20 min, 磨损20 min, 同时用XY函数记录仪记录摩擦力矩。用读数显微镜和表面形貌仪测量磨痕宽度和横截面积, 以试样的磨痕体积表征涂层的耐磨性能。

2 结果与分析

2.1 显微组织

Fe₃Al和Fe₃Al/WC涂层的显微组织示于图2, 可以看出: 两种涂层组织均呈典型的层状结构特征, 涂层与基体界面结合良好。 Fe₃Al/WC涂层基体组织特征与Fe₃Al的相同, 在层状合金基体上

图1 高温销盘摩擦磨损试验机结构简图 Fig.1 Schematic of model GW/ML-MS pin-on-disk wear tester 1—Load; 2—Stress sensor; 3—Balancer; 4—Heater; 5—Upper holder; 6—Thermocouple; 7—Ceramic ball; 8—Disk specimen

镶嵌有颗粒状WC硬质相, 涂层-基体界面附近也观察到少量硬质相的存在。另外, Fe₃Al/WC复合涂层内硬质相的形状以不规则颗粒状为主, 也观察到少量条状WC硬质相的存在, 这是喷涂过程中熔化的硬质相颗粒高速撞击涂层形成的扁平溅射颗粒所致。 WC硬质相在涂层中的分布较不均匀, 这与硬质相的添加量较低有关。

涂层横截面EDS分析结果表明: Fe₃Al涂层基体为Fe-29%Al合金, 同时含有少量Al₂O₃夹杂物: Fe₃Al/WC涂层基体为Fe-26%Al合金。 Fe₃Al和Fe₃Al/WC涂层的XRD分析结果如图3所示。Fe₃Al涂层由Fe₃Al, FeAl, α-Al₂O₃ 和Al组成。需要指出的是, 图3中Fe₃Al, FeAl的最强峰与α-Fe的最强峰重合, 虽然EDS分析未能发现块状α-Fe的存在, 但不能排除未合金化的α-Fe的存在。 α-Al₂O₃ 是高速电弧喷涂过程中, 小粒度Al液滴严重氧化和较大粒度的合金液滴表面氧化而形成的, 以不规则颗粒状和扁平粒子之间的薄膜状两种形式存在; 微量Al粒子是喷涂过程中熔化的Al 液滴未能与外皮金属完全合金化而沉积在涂层中的。因此, Fe₃Al涂层实际上是一种Al₂O₃粒子增强的Fe₃Al基复合材料涂层——Fe₃Al/Al₂O₃。少部分FeAl相的存在是由于粉芯丝材喷涂时合金化不均匀所致。添加WC硬质相后, 在喷涂工艺和粉芯丝材加粉质量分数相同的情况下, 由于Al元素的相对减少, Fe₃Al /WC涂层合金基体相由未加WC时的 (Fe₃Al +FeAl)二相混合基体, 转变为Fe₃Al单相合金基体, 硬质相则由WC和W₂C组成。未检测到氧化物相, 这是因为氧化物含量较低, 用XRD方法难以检测的缘故。

2.2 高温滑动摩擦因数

Fe₃Al基涂层的高温滑动摩擦性能与温度之间的关系如图4所示。图4中Fe₃Al基涂层的滑动摩擦因数随温度升高缓慢下降, 其中Fe₃Al/WC的摩擦因数随温度下降的趋势大于未添加碳化物的Fe₃Al涂层, 表明高温下(t≥550 ℃)添加碳化物硬质相的Fe₃Al基复合涂层具有一定的减摩效果, 这与摩擦表面形成与基体结合牢固的致密氧化膜, 以及硬质相抵抗对偶刚玉陶瓷球表面高硬度微凸起的

图2 Fe3Al(a) 和Fe3Al/WC(b)涂层的显微组织(SEM)[8]Fig.2 Microstructures of Fe3Al(a) and Fe3Al/WC(b) coatings[8]

图3 Fe3Al(a)和Fe3Al/WC(b)涂层的XRD谱(喷涂态)[8]Fig.3 XRD spectra of Fe3Al(a) and Fe3Al/WC(b) coatings

图4 温度对Fe3Al基涂层的高温滑动摩擦因数的影响 Fig.4 Friction coefficient of Fe3Al-based coatings vs temperature

压入和犁削作用有关。随温度的升高, 20 g钢的摩擦因数先降后升, 在450 ℃左右达到最小值, 这种变化规律与Tu等 ^[10] 对5CrNiMo-40MnB钢摩擦副的高温摩擦磨损研究结果一致, 但本质不同。

2.3 耐磨性

Fe₃Al基涂层的滑动磨损体积与温度的关系如图5所示。由图可见: 和涂层的高温冲蚀磨损规律不同的是, 未添加WC陶瓷相的Fe₃Al涂层在温度≤550 ℃时, 其滑动磨损体积远高于添加硬质相的Fe₃Al/WC涂层和20 g钢; 温度>550 ℃, 其磨损抗力高于20 g钢; 试验条件下, Fe₃Al/WC涂层的磨损体积均低于Fe₃Al涂层和20 g钢。以20 g钢的磨损体积作为基准, 用相对耐磨性ε来表征涂层的耐磨性, 则450 ℃和650 ℃下Fe₃Al基复合涂层的相对耐磨性列于表1。可见: 450 ℃和650 ℃时Fe₃Al/WC涂层的相对耐磨性分别为20 g钢的2.92倍和10.23倍, 高温滑动磨损抗力显著提高。

图5 Fe3Al基涂层的滑动磨损体积与温度的关系 Fig.5 Wear volume of Fe3Al-based coatings vs temperature

表1 Fe3Al基复合涂层的相对耐磨性 Table 1 Relative wear resistance ofFe3Al-based coatings

Temperature/℃	Relative wear resistance ε
Temperature/℃	Fe₃Al coating	Fe₃Al/WC coating	20g steel
450	0.35	2.92	1.00
650	1.64	10.23	1.00

3Fe3Al基涂层高温滑动磨损机理分析

从图4和图5及表1可看出, 随着温度升高, Fe₃Al基涂层摩擦因数和磨损体积下降, 与Berns和Franco ^[11] 研究NiCr20AlSi+0~50%WC/W₂C复合材料的磨粒磨损的结果一致。添加WC硬质相后Fe₃Al基复合涂层的耐磨性显著改善, 其主要原因在于高温滑动磨损条件下, 摩擦副对偶Al₂O₃球表面形成氧化物转移膜, 涂层表面生成硬度较高的氧化膜, 可保护涂层亚表层合金以减少粘着的发生 ^[12] 。干摩擦条件下, 由氧化膜提供的保护程度取决于表面粗糙度、氧化膜厚度、特别是氧化膜与金属基体的相对硬度和结合强度 ^[13] 。

图6所示为Fe₃Al和Fe₃Al/WC复合涂层的650 ℃滑动磨损的表面形貌。 Fe₃Al涂层磨损表面较粗糙, 较多的氧化物磨屑粘附在表面, 在磨损过程中起着磨粒的作用, 表面氧化膜的完整性较差, 有多处剥落和涂层合金被碾压的痕迹; 而添加WC后, Fe₃Al基复合涂层表面完全为致密的氧化膜所覆盖, 并可观察到颗粒状WC/W₂C硬质相镶嵌在磨面上, 可有效抵抗硬凸起的压入和犁削, 氧化膜不再以碎屑状脱落, 而是呈块状剥落。可见致密氧化膜的抗滑动磨损能力高于破碎性氧化膜。这与硬质相对Fe₃Al涂层合金基体的强化, 增强抵抗硬凸起压入的能力, 以及对涂层表面因高温和摩擦化学反应形