付東興，楊中元，張曉囡，張彬，孫昊，劉飛，李文杰

（北京有色金屬研究總院 有研粉末新材料（北京）有限公司, 北京 100088）

關(guān)鍵字WC-12Co；Ag；自潤(rùn)滑涂層；摩擦；超音速火焰噴涂

隨著航空、航天和空間技術(shù)的發(fā)展，許多高溫部件的服役溫度進(jìn)一步提高，零部件的表面磨損問(wèn)題日益突出，傳統(tǒng)的潤(rùn)滑油或潤(rùn)滑脂無(wú)法滿足使用要求[1]。開(kāi)發(fā)新型的高溫耐磨自潤(rùn)滑涂層材料，在涂層表面形成固體潤(rùn)滑膜，減小摩擦副的摩擦因數(shù)，將有望大幅提高高溫部件的使用壽命。新型高溫固體自潤(rùn)滑涂層體系及其制備方法是科研人員近年研究的熱點(diǎn)[2-7]。

在高溫耐磨自潤(rùn)滑涂層的研究中，常用的耐磨硬質(zhì)相有NiCr/CrC，WC-Co，TiC，TiN等涂層材料[8-11]。其中，WC-12Co是一種常用的耐磨材料，在涂層中WC相具有高硬度和高耐磨性，而Co相作為粘結(jié)相，使涂層具有一定的強(qiáng)度和韌性。WC-12Co涂層具有良好的抗滑動(dòng)磨損、磨料磨損、微動(dòng)磨損和沖蝕磨損等性能，已被廣泛用作航空、汽車等行業(yè)耐磨零件的保護(hù)層，適用于采用等離子噴涂技術(shù)、超音速火焰噴涂技術(shù)和爆炸噴涂技術(shù)等制備涂層[12-13]。為了發(fā)揮WC-Co涂層的高溫性能優(yōu)勢(shì)，在涂層內(nèi)部加入固體潤(rùn)滑相，如WS2，Cu，Ag，BaF2/CaF2等元素[14-17]，將能改善涂層的高溫摩擦因素，得到性能優(yōu)異的高溫耐磨自潤(rùn)滑涂層材料。其中，Ag具有良好的減摩性能，其熔點(diǎn)為960.5℃，在室溫到650℃的范圍內(nèi)能夠表現(xiàn)出優(yōu)良的自潤(rùn)滑性能[18]。

本文研究探討了不同Ag含量的超音速火焰噴涂WC-12Co/Ag涂層高溫摩擦性能，并將其與WC-12Co涂層進(jìn)行對(duì)比，從而為開(kāi)發(fā)具有優(yōu)異性能的高溫耐磨自潤(rùn)滑復(fù)合涂層材料提供一定的應(yīng)用研究基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)所用WC-12Co粉末為國(guó)內(nèi)市場(chǎng)成熟的超音速火焰噴涂用熱噴涂粉末，粒度為1～7um，Ag粉為粒度在1～7um左右的超細(xì)粉末。WC-12Co/Ag復(fù)合粉末是通過(guò)噴霧造粒工藝將WC-12Co粉末和Ag粉末充分混合均勻制備而成。

采用Metco Diamond Jet型超音速火焰噴涂系統(tǒng)制備涂層，制備工藝參數(shù)如表1所示。使用Axiovert 200 MAT型金相顯微鏡觀察金相組織；采用Philips APD-10型X射線衍射儀分析相成分，借助JSM 7001F型掃描電子顯微鏡觀察微觀形貌。

表1 超音速火焰噴涂WC-12Co/Ag涂層的工藝參數(shù)Table 1 Process parameter of WC-12Co/Ag coating by supersonic fl ame spraying

采用SRV試驗(yàn)機(jī)（聯(lián)邦德國(guó)OPTIMOL公司生產(chǎn)）測(cè)試涂層的高溫摩擦性能。本文試驗(yàn)過(guò)程中溫度為500℃，頻率為40Hz，壓力分別為50N、100N、150N、200N，沖程為3mm。對(duì)偶件是GH4169材質(zhì)。試樣外形如圖1所示。

圖1 高溫摩擦試驗(yàn)試樣Fig.1 Test sample under high temperature friction

2 涂層的成分設(shè)計(jì)

選用NiAl合金絲作為打底層材料。在噴涂NiAl絲材的過(guò)程中會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的放熱反應(yīng)，提高了熔滴的熱能，相當(dāng)于對(duì)熔滴進(jìn)行二次加熱，有利于延長(zhǎng)熔滴在基體表面的凝固時(shí)間和降低冷卻速度，能夠獲得微區(qū)的界面擴(kuò)散，從而顯著提高打底層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。同時(shí)噴涂后打底層的表面潔凈且粗糙，能夠?yàn)楹罄m(xù)工作層提供形成優(yōu)良機(jī)械結(jié)合的沉積面，有效地提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度。

工作層選用WC-12Co/Ag涂層，Ag含量分別為10%，15%和20%。WC-12Co是一種常用的耐磨材料，在涂層中WC相具有高硬度和高耐磨性，而Co相作為粘結(jié)相，使涂層具有一定的強(qiáng)度和韌性。WC-12Co涂層具有良好的抗滑動(dòng)磨損、磨料磨損、微動(dòng)磨損和沖蝕磨損等性能，已被廣泛用作航空、汽車等行業(yè)耐磨零件的保護(hù)層，適用于采用等離子噴涂技術(shù)、超音速火焰噴涂技術(shù)和爆炸噴涂技術(shù)等制備涂層。潤(rùn)滑相選用金屬單質(zhì)Ag，Ag在小于650℃的環(huán)境中具有良好的潤(rùn)滑作用，在900℃以下不產(chǎn)生氧化，能保持Ag單質(zhì)金屬的原有特性。在摩擦力和壓力的作用下，接觸面表面溫度升高，由于熱膨脹系數(shù)不同的原因，Ag將會(huì)從耐磨相中擠出后發(fā)生塑性變形，本身柔軟的金屬特性使Ag顆粒在磨損表面形成一層保護(hù)膜。

3 涂層中A g元素的分布

含Ag量為20%涂層的金相形貌如圖2所示，圖中灰色的相為WC和Co相，白色的為Ag相，黑色的為氧化物、碳化物或孔隙。從圖中可以看出，Ag在涂層中分布較均勻。涂層的XRD測(cè)試結(jié)果如圖3所示，由圖可見(jiàn)，三種涂層均主要由WC和Ag兩相組成，同時(shí)形成了Co6W6C相。從圖3（a）到圖3（c），Ag含量逐漸增加，WC的含量有所減少。經(jīng)過(guò)噴涂后，Ag仍主要以單質(zhì)的形式存在于涂層中，這是由于超音速火焰噴涂速度快，Ag來(lái)不及氧化。同時(shí)，噴涂過(guò)程中WC與Co元素形成了Co6W6C相。這是因?yàn)槌羲倩鹧鎳娡窟^(guò)程中，WC硬質(zhì)陶瓷部分發(fā)生分解、金屬Co發(fā)生氧化所致。

圖2 WC-12Co/20%Ag涂層的金相形貌Fig.2 Microstructure morphology of WC-12Co/20%Ag coating

圖3 WC-12Co/Ag涂層的相成分(a)含Ag 10%涂層；(b) 含Ag 15%涂層；(c)含Ag 20%涂層Fig.3 WC-12Co/Ag coating phase composition containing 10%Ag coating (a); (b) containing 15%Ag coating; (c) containing 20%Ag coating

4 涂層摩擦性能研究

圖4為WC-12Co涂層的摩擦因數(shù)隨著行程距離變化的情況，行程0～250之間加載的載荷為50N，行程250以后加載的載荷為100N。從圖中可以看出，加載載荷為50N的過(guò)程中，摩擦因數(shù)不斷波動(dòng)，且幅度較大。加載載荷為100N的初期，摩擦因數(shù)波動(dòng)幅度仍然較大，中段波動(dòng)幅度變小，但摩擦因數(shù)持續(xù)上升，后段波動(dòng)幅度再次變大。結(jié)合該涂層磨痕微觀形貌（圖5）可知，在與對(duì)偶件的往復(fù)摩擦過(guò)程中，初期，涂層與對(duì)偶件之間處于磨合期，導(dǎo)致摩擦因數(shù)大幅度波動(dòng)；中期，接觸面磨合良好，但由于缺少潤(rùn)滑，摩擦因數(shù)持續(xù)上升；后期，隨著涂層中局部有金屬顆粒剝落，導(dǎo)致摩擦因數(shù)再次大幅度波動(dòng)變化。

圖6 為三種不同Ag含量涂層摩擦因數(shù)隨行程距離變化的情況。涂層中曲線（a）、（b）和（c）分別對(duì)應(yīng)含Ag量為10%、15%和20%的WC-12Co/Ag涂層。其中行程0～250加載的載荷為50N，行程250～500加載的載荷為100N，行程500～750加載的載荷為150N，行程750～1000加載的載荷為200N。為便于表述，對(duì)四個(gè)行程距離分別定義為行程1、行程2、行程3和行程4。

圖4 WC-12Co涂層摩擦因數(shù)的變化Fig.4 Change of the friction factor of WC-12Co coating

在磨損初期，涂層與對(duì)偶件需要時(shí)間磨合。在此過(guò)程中，摩擦因數(shù)出現(xiàn)波動(dòng)，但由于有Ag元素的參與，波動(dòng)的幅度較不含Ag的WC-12Co涂層要小，并且隨著局部小顆粒的剝落，接觸面增加，摩擦因數(shù)有所上升，具體見(jiàn)圖6中行程1中曲線的變化。

圖5 WC-12Co涂層高溫摩擦磨損試驗(yàn)后磨痕的微觀形貌Fig.5 Microstructure of WC-12Co coating grinding crack after high temperature friction and wear tests

圖6 WC-12Co/Ag涂層摩擦因數(shù)的變化（a）含Ag10%涂層；（b）含Ag15%涂層；（c）含Ag20%涂層Fig.6 Change of the friction factor of WC-12Co/Ag coating（a）including Ag10% coating；（b）contain Ag15% coating；（c）contain Ag20% coating

行程2為磨合平穩(wěn)期，載荷的增加加快了磨合期的進(jìn)程，三種涂層均由小幅度波動(dòng)階段過(guò)渡到平穩(wěn)期，在此階段，涂層與對(duì)偶件的接觸面磨合完畢，進(jìn)入穩(wěn)定的磨損期。三種涂層中由于Ag含量不同，Ag析出到磨損表面的數(shù)量不同，導(dǎo)致平穩(wěn)期的摩擦因數(shù)隨著Ag含量的增加而降低，即含Ag含量為20%的WC-12Co/Ag涂層的摩擦因數(shù)最低，約為0.47。

進(jìn)入磨合平穩(wěn)期后，雖然增加載荷到了150N，但在行程3的初期，摩擦因數(shù)并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的波動(dòng)，而是迅速進(jìn)入平穩(wěn)期。三種涂層的摩擦因數(shù)在此過(guò)程中，均比較平穩(wěn)，分別約為0.54、0.44和0.43。涂層（b）和涂層（c）的摩擦因數(shù)接近，且明顯低于涂層（a）的數(shù)值。說(shuō)明含Ag為10%的涂層潤(rùn)滑效果不如其他兩個(gè)涂層。

當(dāng)將載荷提高到200N時(shí)，具體見(jiàn)圖6中行程4曲線的變化。涂層（a）的摩擦因數(shù)先是迅速下降，然后逐漸上升，而涂層（b）和涂層（c）的摩擦因數(shù)的大小與行程3中的數(shù)值沒(méi)有明顯變化，僅涂層（b）的數(shù)值下降到與涂層（c）的數(shù)值接近。結(jié)合圖7中行程4結(jié)束時(shí)各涂層表面的微觀形貌及Ag元素在磨痕表面的分布情況可知：在摩擦磨損過(guò)程中，涂層（a）中的Ag相對(duì)較少，由于Ag潤(rùn)滑膜的保護(hù)不足，有一些金屬顆粒逐漸剝落，在接觸面之間滾動(dòng)，降低了摩擦因數(shù)，而隨著硬質(zhì)相磨粒的增多，在接觸面之間加速磨損，使摩擦因數(shù)增加；而對(duì)于含Ag量為15%和20%的涂層（b）和涂層（c），在摩擦磨損過(guò)程中，潤(rùn)滑相在接觸面形成了一定厚度連續(xù)分布的Ag膜，起到了良好的潤(rùn)滑作用。涂層（b）和涂層（c）具有相似的摩擦因數(shù)，即WC-12Co/Ag涂層含有15%以上的Ag時(shí)，涂層具有良好的自潤(rùn)滑性能。

圖7 涂層高溫摩擦試驗(yàn)后磨痕的微觀形貌Fig.7 Coating microstructure of grinding crack after high temperature friction test

5 結(jié)論

采用超音速火焰噴涂技術(shù)制備的耐磨自潤(rùn)滑涂層以WC為硬質(zhì)相，Co為粘結(jié)相，Ag為自潤(rùn)滑相。制備的涂層中Ag元素主要以單質(zhì)的形式均勻分布；當(dāng)涂層中含Ag量小于10%時(shí)，在500℃環(huán)境中摩擦?xí)r，Ag在界面處形成的潤(rùn)滑膜不連續(xù)，在試驗(yàn)后期潤(rùn)滑膜失效，導(dǎo)致摩擦因數(shù)波動(dòng)并增加；當(dāng)涂層中含Ag量大于15%時(shí)，在500℃環(huán)境中摩擦?xí)r，Ag在界面處形成連續(xù)的潤(rùn)滑膜，起到良好的自潤(rùn)滑作用，能夠改善WC-12Co涂層的摩擦性能。