蔡　濱　譚業(yè)發(fā)　胡曉光　譚　華　唐　建

1. 解放軍理工大學(xué)，南京，2100072.中國人民解放軍駐五八〇八廠軍代室，泰安，2710003.總裝備部工兵軍代局駐武漢地區(qū)軍代室，武漢，430073

Y2O3改性石墨/CaF2/TiC/鎳基合金復(fù)合涂層微觀組織與摩擦學(xué)性能研究

蔡濱1,2譚業(yè)發(fā)1胡曉光3譚華1唐建1

1. 解放軍理工大學(xué)，南京，2100072.中國人民解放軍駐五八〇八廠軍代室，泰安，2710003.總裝備部工兵軍代局駐武漢地區(qū)軍代室，武漢，430073

為提高石墨/CaF2/TiC/鎳基合金(GCTN)復(fù)合涂層的力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能，運(yùn)用等離子噴涂技術(shù)在45鋼表面制備了Y2O3改性GCTN復(fù)合涂層，研究了Y2O3對復(fù)合涂層的微觀組織、顯微硬度、斷裂韌性和摩擦磨損性能的影響。結(jié)果表明：Y2O3改性GCTN復(fù)合涂層主要由γ-Ni、CrB、Cr7C3、TiC、CaF2和石墨等物相組成。Y2O3在等離子火焰加熱作用下與C元素反應(yīng)生成活性元素Y，Y凈化了復(fù)合涂層的微觀組織，并細(xì)化了CrB、Cr3C7等硬質(zhì)相晶粒，提高了其致密性。當(dāng)Y2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時，復(fù)合涂層的顯微硬度和斷裂韌性分別為593.3 MPa和6.82 MPa·m1/2，比不含Y2O3的復(fù)合涂層分別增大了8%和22%，其機(jī)理主要是Y2O3細(xì)化了CrB、Cr3C7等硬質(zhì)相晶粒，起到了細(xì)化強(qiáng)化作用。由于GCTN-0.5Y2O3復(fù)合涂層的顯微硬度和斷裂韌性顯著提高，減少了其黏著磨損和微觀斷裂磨損，因而GCTN-0.5Y2O3復(fù)合涂層的摩擦因數(shù)和磨損率最小，分別為0.085和0.39×10-3mm3/m。

復(fù)合材料；Y2O3；石墨；CaF2；摩擦磨損；涂層

0　引言

隨著科技的進(jìn)步和現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，各類機(jī)械裝備的服役條件日趨極端化和復(fù)雜化，特別是航空航天、石油化工以及軍事領(lǐng)域的機(jī)械裝備往往需要在高溫、高真空、強(qiáng)輻射、腐蝕和重載等條件下作業(yè)[1]，難以實(shí)施流體潤滑。因此，研發(fā)適應(yīng)苛刻環(huán)境要求的摩擦副材料已成為摩擦學(xué)和表面工程領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題[2]。金屬基自潤滑材料具有良好的承載性能，能夠適應(yīng)多種特殊環(huán)境，其研究與應(yīng)用也愈來愈廣泛[3]。例如，文獻(xiàn)[4]經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，NiAl-Cr(Mo)-CrxSy自潤滑復(fù)合材料在200～400 ℃和700～900 ℃溫度范圍內(nèi)具有自潤滑性能。廖東侯等[5]研究了一種用于電接觸部件的銅-石墨-NbSe2復(fù)合材料，其電阻率較銅-石墨復(fù)合材料降低近一半。在真空條件下，銅-石墨-NbSe2復(fù)合材料的摩擦因數(shù)(0.189～0.205)遠(yuǎn)小于銅-石墨復(fù)合材料的摩擦因數(shù)(0.257)。在涂層研究方面，Xu等[6]采用激光熔覆技術(shù)制備的MoS2/TiC/Ni復(fù)合涂層摩擦因數(shù)為0.517，小于45鋼的摩擦因數(shù)，且其磨損率僅為45鋼磨損率的1/6。Cai等[7]研究了石墨/TiC/鎳基合金復(fù)合涂層，其摩擦因數(shù)為0.247，磨損失重為0.9 mg，較純鎳基合金涂層分別減小了47.8%和59.1%。

在金屬基體中加入固體潤滑相會在一定程度上導(dǎo)致復(fù)合材料的致密性、顯微硬度和結(jié)合強(qiáng)度降低，影響復(fù)合涂層的承載性能和實(shí)際應(yīng)用。例如，文獻(xiàn)[8]研究了MoS2/Ni基固體潤滑涂層的性能，發(fā)現(xiàn)涂層的致密性隨著MoS2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而降低，且當(dāng)MoS2質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0增至9%時，復(fù)合涂層的結(jié)合強(qiáng)度從44.6 MPa降至25.1 MPa，顯微硬度從963.8 MPa降至597.6 MPa。蔣冰玉等[9]研究了BN/Ni(Cr)復(fù)合材料并指出，隨著BN質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料密度減小，孔隙率增大，強(qiáng)度、硬度和延伸率降低。文獻(xiàn)[10]運(yùn)用超音速火焰噴涂技術(shù)制備的WS2/CaF2鎳基自潤滑涂層中孔洞增多，硬度僅為320 MPa。Li等[11]用粉末冶金法制備的鎳基合金/石墨復(fù)合材料的硬度、抗彎強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均有所降低。

稀土具有獨(dú)特的4f電子結(jié)構(gòu)、大的原子磁矩、很強(qiáng)的自旋耦合等特性，其物理化學(xué)性質(zhì)極為特殊[12]。微量的稀土即可改善金屬材料的微觀組織結(jié)構(gòu)，提高其力學(xué)性能和耐磨抗蝕性能[13-14]，因而將稀土加入金屬基自潤滑復(fù)合涂層中，研究稀土對其微觀組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能的影響非常必要。HT-500型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)可測試金屬、陶瓷等材料在多種苛刻工況(超高溫、超低溫、重載荷、高真空等)下的摩擦因數(shù)和磨損率，且其測試試樣的制備較為簡便。本文運(yùn)用等離子噴涂技術(shù)在45鋼表面制備了Y2O3改性石墨/CaF2/TiC/鎳基合金復(fù)合涂層(以下簡稱Y2O3改性GCTN復(fù)合涂層)，分析了其微觀組織結(jié)構(gòu)、物相組成和力學(xué)性能，使用HT-500型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)研究了其摩擦磨損性能，揭示了其減摩耐磨機(jī)理，為新型復(fù)合涂層的研發(fā)和應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

1　試驗(yàn)部分

1.1涂層的制備

Y2O3改性GCTN復(fù)合涂層的原材料由鎳包石墨粉末、鎳包CaF2粉末、TiC粉末、鎳基合金粉末和Y2O3粉末組成。其中，鎳包石墨的鎳包覆量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為75%，粒徑為75～128 μm；鎳包CaF2的鎳包覆量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為62.04%，粒徑為60～90 μm；TiC粉末純度為99.6%，粒徑為2 μm；鎳基合金粉末的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))如下：15.5%Cr、3%B、4%Si、14%Fe、0.75%C、余量Ni，粒徑為55～128 μm；Y2O3粉末純度為99.5%，粒徑為15～45 μm。GCTN復(fù)合粉末中鎳包石墨、鎳包CaF2、TiC和鎳基合金的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10%、14%、24%、52%。將Y2O3按表1所示比例與GCTN復(fù)合材料混合并置入QM-ISP行星輪式高能球磨機(jī)中球磨1 h，使其混合均勻。

表1　Y2O3改性GCTN復(fù)合涂層的組成　%

選用45鋼作為母材，并經(jīng)表面除銹和噴砂處理。用DH1080型等離子噴涂設(shè)備將上述復(fù)合粉末涂覆于45鋼母材表面。噴涂工藝參數(shù)如下：電流為600 A，電壓為40 V，噴涂距離為80 mm。涂層厚度為400 μm，經(jīng)磨削加工后，表面粗糙度Ra=0.5 μm。

1.2摩擦磨損性能試驗(yàn)

在HT-500型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上測試了復(fù)合涂層的摩擦學(xué)性能。上試樣選用φ4 mm的GCr15鋼球，其表面粗糙度Ra=0.05 μm。下試樣為涂層。在室溫、大氣環(huán)境下測試了復(fù)合涂層的干摩擦磨損性能，法向載荷為12 N，摩擦速度為0.1 m/s，磨損行程為720 m。磨損率V為

V=Δm/(ρ L)

(1)

式中，Δm為磨損失重(采用精度為0.1mg的TG328A分析天平測量)；ρ為涂層密度；L為磨損行程。

在JC1A型讀數(shù)顯微鏡上測量了GCr15鋼球球缺的半徑a，并根據(jù)下式計算其磨損率V：

V=πh2(3R-h)ρ/(3L)

(2)

式中，R為球半徑；h為球缺高。

1.3表面測試分析

運(yùn)用理光D/max2500型X射線衍射儀(XRD)分析了涂層的相結(jié)構(gòu)。采用DM-3000金相分析軟件測定了涂層的孔隙率。在DHV-1000型顯微硬度計上測試了涂層的顯微硬度。用壓痕法測試了涂層的斷裂韌性KIC，其計算公式為[15]

(3)

其中，H為維氏硬度；Ea為彈性模量；b為壓痕對角線長的1/2；l為裂紋長度。

使用QUANTA200型掃描電子顯微鏡(SEM)和EDAX能譜儀進(jìn)行表面分析與測試。

2　結(jié)果與討論

2.1Y2O3改性GCTN復(fù)合涂層微觀組織結(jié)構(gòu)

2.1.1截面形貌與孔隙率

(a)微觀組織形貌

(b)A區(qū)域能譜圖

(c)B區(qū)域能譜圖

(d)C區(qū)域能譜圖圖1　GCTN-0.5Y2O3復(fù)合涂層微觀組織及其能譜圖

圖1為GCTN-0.5Y2O3復(fù)合涂層的截面組織形貌及其能譜圖。可見，復(fù)合涂層中分布著層狀組織A、黑色塊狀組織B、白色組織C和基體組織(圖1a)。A、B、C三種組織的能譜圖分別如圖1b、圖1c和圖1d所示。層狀組織A的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為15.31%C、66.19%Ti、1.09%Cr、17.42%Ni，表明層狀組織主要為TiC顆粒。黑色組織B的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為100%C，說明黑色組織為石墨。白色組織C的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為6.76%C、3.88%F、0.69%Si、10.67%Ca、19.21%Ti、2.27%Cr、1.55%Fe、54.97%Ni，表明CaF2主要聚集在白色組織中。分析可知，固體潤滑相在復(fù)合涂層中保持了其原始形態(tài)，表明鎳包覆預(yù)處理有效地保護(hù)了固體潤滑相，使其在復(fù)合涂層中均勻分布。

噴涂過程中，復(fù)合涂層因噴涂粉末瞬間冷卻時的微觀收縮效應(yīng)而產(chǎn)生孔隙[16]。復(fù)合涂層的強(qiáng)度σ與孔隙率ε存在如下關(guān)系[17]：

σ=kd-pe-q ε

(4)

式中，k、p、q為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；d為原始粉末粒徑。

式(4)表明復(fù)合涂層的強(qiáng)度隨孔隙率的降低而提高。圖2所示為Y2O3改性GCTN復(fù)合涂層的孔隙率隨Y2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線。可見，未添加Y2O3時，復(fù)合涂層的孔隙率為3.7%；加入0.5%Y2O3后，復(fù)合涂層的孔隙率顯著降至2.8%。Y2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%～1.5%時，復(fù)合涂層的孔隙率在3.1%左右。Y2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過2.0%后，復(fù)合涂層的孔隙率達(dá)到4%以上，超過了GCTN復(fù)合涂層的孔隙率。因此，加入0.5%Y2O3時，復(fù)合涂層孔隙率的降低有利于提高其力學(xué)性能。

圖2　Y2O3改性GCTN復(fù)合涂層的孔隙率

2.1.2物相組成

GCTN復(fù)合涂層、GCTN-0.5Y2O3復(fù)合涂層、GCTN-1.0Y2O3復(fù)合涂層和GCTN-2.0Y2O3復(fù)合涂層的XRD圖譜如圖3所示。圖3a表明，GCTN復(fù)合涂層主要由γ-Ni、CrB、Cr7C3、TiC、CaF2和石墨等物相組成。加入0.5%Y2O3后，復(fù)合涂層的主要物相與GCTN復(fù)合涂層相同，但其中γ-Ni的3個衍射峰強(qiáng)度較不含Y2O3時增大了約1倍(圖3b)。Y2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時，復(fù)合涂層的物相組成及其衍射峰強(qiáng)度與GCTN-0.5Y2O3復(fù)合涂層相似(圖3c)。而當(dāng)Y2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到2%時，復(fù)合涂層的XRD圖譜中γ-Ni的衍射峰強(qiáng)度減弱，且出現(xiàn)了少量Y2O3(圖3d)。

(a)GCTN復(fù)合涂層

(b)GCTN-0.5Y2O3復(fù)合涂層

(c)GCTN-1.0Y2O3復(fù)合涂層

(d)GCTN-2.0Y2O3復(fù)合涂層圖3　不同Y2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的GCTN復(fù)合涂層XRD圖譜

Y2O3在等離子火焰中可能發(fā)生以下分解反應(yīng)[18]：

Y2O3=2[Y]+1.5O2

(5)

根據(jù)文獻(xiàn)[18]中Y2O3、Y、O2等的熱力學(xué)數(shù)據(jù)，反應(yīng)(5)的吉布斯自由能ΔG為

ΔG=1 897 900-281.96t

(6)

只有當(dāng)溫度t>6731 ℃時，反應(yīng)(5)的吉布斯自由能ΔG<0，反應(yīng)才有可能發(fā)生。文獻(xiàn)[19]認(rèn)為，當(dāng)復(fù)合材料中含有元素C時，稀土氧化物可能與元素C反應(yīng)。Y2O3與C反應(yīng)的化學(xué)式為

Y2O3+3[C]=2[Y]+3CO

(7)

反應(yīng)(7)的吉布斯自由能ΔG為

ΔG=1 561 054-542.9t

(8)

當(dāng)溫度t>2875 ℃時，反應(yīng)(7)的吉布斯自由能ΔG<0。可見，反應(yīng)(7)更容易發(fā)生。

因此，在等離子火焰加熱作用下，Y2O3與元素C反應(yīng)并生成活性較高的活性元素Y，Y與復(fù)合涂層中的雜質(zhì)元素反應(yīng)，凈化了復(fù)合涂層的微觀組織，提高了γ-Ni晶胞的有序性，因而當(dāng)Y2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%～1.0%時，復(fù)合涂層中γ-Ni的衍射峰增強(qiáng)。

運(yùn)用Scherrer方程可計算復(fù)合涂層中典型物相的晶粒度[20]：

D=K λ/(Bcosθ)

(9)

式中，D為晶粒尺寸，nm；K為Scherrer常數(shù)，一般取K=0.89；λ為X射線的波長(0.154 056 nm)；B為衍射峰的積分半高寬；θ為衍射角。

根據(jù)XRD測試得到的各物相最強(qiáng)峰積分半高寬B和Sherrer方程，計算γ-Ni、CrB和Cr7C3等物相的晶粒尺寸，結(jié)果見表2。可見，加入0.5%Y2O3后，γ-Ni晶粒尺寸由16.3 nm增大到22.8 nm。γ-Ni的晶粒增大主要是因?yàn)閅元素的凈化作用。相反地，CrB和Cr7C3的晶粒尺寸在加入Y2O3后有所減小。Y2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時，CrB和Cr7C3的晶粒尺寸分別為10.4 nm和8.6 nm，較GCTN復(fù)合涂層中相同物相的晶粒尺寸分別減小了1/2和2/3。這是因?yàn)橄⊥猎貙、B等原子具有較強(qiáng)的吸附作用[21]，所以C、B等原子優(yōu)先在Y元素所引起的畸變區(qū)析出，增大了CrB和Cr7C3等硬質(zhì)相的形核核心，促使其晶粒尺寸減小。根據(jù)顆粒增強(qiáng)理論[22]，硬質(zhì)相尺寸越小，顆粒增強(qiáng)復(fù)合涂層的強(qiáng)度越高，因此復(fù)合涂層中CrB和Cr7C3等硬質(zhì)相晶粒尺寸的減小可產(chǎn)生細(xì)化強(qiáng)化作用。

表2　復(fù)合涂層中γ-Ni、CrB和Cr7C3的晶粒尺寸

綜上分析可知：在GCTN復(fù)合涂層中添加適量的Y2O3(0.5%～1.0%)，可以凈化γ-Ni組織，細(xì)化CrB和Cr3C7等硬質(zhì)相的晶粒，并提高復(fù)合涂層的致密度。

2.2Y2O3改性GCTN復(fù)合涂層的顯微硬度與斷裂韌性

圖4所示為Y2O3改性GCTN復(fù)合涂層的顯微硬度隨Y2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線。GCTN-0.5Y2O3復(fù)合涂層的顯微硬度最高(593.3 MPa)，較未添加Y2O3時增大了8%。但是隨著Y2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的進(jìn)一步增加，復(fù)合涂層的顯微硬度呈降低趨勢。Y2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過1.5%后，復(fù)合涂層的顯微硬度低于GCTN復(fù)合涂層。Y2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到2.5%時，復(fù)合涂層的顯微硬度降低至501.3 MPa。Y2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%～1.0%時，復(fù)合涂層的顯微硬度增大，這是由于硬質(zhì)相CrB和Cr3C7等晶粒的細(xì)化，對鎳基合金基體起到細(xì)化強(qiáng)化作用。而且，復(fù)合涂層的致密度增加，也提高了其抗塑性變形能力。

圖4　Y2O3改性GCTN復(fù)合涂層的顯微硬度

斷裂韌性是影響復(fù)合材料摩擦磨損性能的重要力學(xué)參數(shù)之一。Y2O3改性GCTN復(fù)合涂層的斷裂韌性隨Y2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線如圖5所示?？梢姡缓琘2O3的GCTN復(fù)合涂層的斷裂韌性為5.58 MPa·m1/2。加入Y2O3后，復(fù)合涂層的斷裂韌性顯著增大。當(dāng)Y2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時，復(fù)合涂層的斷裂韌性為6.82 MPa·m1/2，較GCTN復(fù)合涂層增大22%；Y2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%時，復(fù)合涂層的斷裂韌性比GCTN復(fù)合涂層大12%，隨著Y2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的進(jìn)一步增加，斷裂韌性逐漸減小至5.91 MPa·m1/2，仍大于GCTN復(fù)合涂層?？芍?，Y2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時，可以有效提高復(fù)合涂層的斷裂韌性，有利于減少復(fù)合涂層在摩擦磨損過程中裂紋的生成和擴(kuò)展，減小復(fù)合涂層的磨損，提高其耐磨損性能。

圖5　Y2O3改性GCTN復(fù)合涂層的斷裂韌性

2.3Y2O3對GCTN復(fù)合涂層摩擦學(xué)性能的影響

2.3.1摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果

載荷為12 N條件下，復(fù)合涂層的摩擦因數(shù)隨Y2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線如圖6a所示。未添加Y2O3時，GCTN復(fù)合涂層的摩擦因數(shù)為0.282。加入Y2O3后，復(fù)合涂層的摩擦因數(shù)顯著減小。特別是當(dāng)Y2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%～2.0%時，復(fù)合材料摩擦因數(shù)在0.085～0.15之間，較GCTN復(fù)合涂層的摩擦因數(shù)減小了41.0%～69.9%。其中Y2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時，復(fù)合涂層的摩擦因數(shù)最小(為0.085)。但是，當(dāng)Y2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%時，復(fù)合涂層的摩擦因數(shù)達(dá)到0.304，大于GCTN復(fù)合涂層的摩擦因數(shù)。

圖6b所示為復(fù)合涂層的磨損率隨Y2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化曲線?？梢姡刺砑覻2O3時，復(fù)合涂層的磨損率為0.46×10-3mm3/m。GCTN-0.5Y2O3復(fù)合涂層的磨損率為0.39×10-3mm3/m，較未添加Y2O3時減小15%。但是，隨著Y2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的繼續(xù)增加，復(fù)合涂層的磨損率逐漸增大。Y2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過1.0%后，Y2O3改性GCTN復(fù)合涂層的磨損率均高于GCTN復(fù)合涂層。

(a)摩擦因數(shù)隨Y2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線

(b)磨損率隨Y2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線圖6　Y2O3改性GCTN復(fù)合涂層的摩擦因數(shù)和磨損率(載荷為12 N)

試驗(yàn)結(jié)果表明：在GCTN復(fù)合涂層中添加適量的Y2O3可以有效減小其摩擦因數(shù)和磨損率，且當(dāng)Y2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時，復(fù)合涂層的摩擦因數(shù)和磨損率均達(dá)到最小，分別為0.085和0.39×10-3mm3/m。

2.3.2復(fù)合涂層的摩擦磨損機(jī)理

GCTN-0.5Y2O3復(fù)合涂層的磨損表面形貌、磨屑形貌及其能譜圖見圖7?？梢?，復(fù)合涂層的磨損表面存在較為光滑平整的區(qū)域M和少量凹陷區(qū)域N。圖7c表明，M區(qū)域的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))如下：7.35%C、3.75%O、2.82%F、4.49%Si、1.00%Y、0.46%Ca、0.48%Ti、13.96%Cr、5.46%Fe、60.24%Ni?？梢?，磨損表面光滑區(qū)域主要是鎳基合金基體，且含有部分固體潤滑相，起到減摩作用。鎳基合金基體在摩擦過程主要承受黏著磨損。復(fù)合涂層的磨損表面還存在少量凹陷區(qū)域N，主要由13.55%C、3.58%O、1.84%F、1.96%Si、0.82%Y、0.55%Ca、2.89%Ti、6.86%Cr、3.09%Fe、64.85%Ni組成(圖7d)，表明凹陷區(qū)域是復(fù)合涂層中固體潤滑相聚集區(qū)域。固體潤滑相較軟，在摩擦過程中被擠壓到磨損表面，使磨損表面產(chǎn)生持續(xù)的固體潤滑效果。圖7b所示為復(fù)合涂層的磨屑形貌，可見其中出現(xiàn)了一些塊狀磨屑，這是因?yàn)楣腆w潤滑相被擠出后，凹陷區(qū)域在摩擦過程中產(chǎn)生一定程度的應(yīng)力集中，引起微觀斷裂磨損。因此，復(fù)合涂層的磨損機(jī)理主要是黏著磨損和微觀斷裂磨損。

GCTN-0.5Y2O3復(fù)合涂層的顯微硬度和斷裂韌性較未添加Y2O3的GCTN復(fù)合涂層顯著提高，因此復(fù)合涂層在摩擦過程中形成的微觀斷裂磨屑減少，抑制了GCr15鋼球所受到的切削作用，使GCr15鋼的磨損率由0.2×10-3mm3/m減小至0.01×10-3mm3/m?？梢?，加入Y2O3不僅減小了復(fù)合涂層的磨損率，也減小了對摩偶件材料的磨損率，提高了對摩偶件材料的使用壽命。

隨著Y2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至1.5%，復(fù)合涂層磨損表面形貌如圖8所示?？梢?，其磨損表面形貌與GCTN-0.5Y2O3復(fù)合涂層相似。但是，磨損表面出現(xiàn)較多磨屑和微觀切削劃痕，表明復(fù)合涂層的微觀斷裂磨損有所增加，導(dǎo)致其磨損率增大至2.45×10-3mm3/m。因此，GCTN-1.5Y2O3復(fù)合涂層的磨損機(jī)理主要為微觀斷裂磨損和微觀切削磨損。

(a)磨損表面形貌

(b)磨屑形貌

(c)M區(qū)域能譜圖

(d)N區(qū)域能譜圖圖7　GCTN-0.5Y2O3復(fù)合涂層磨損表面形貌及其能譜圖

由試驗(yàn)結(jié)果可知，加入0.5%Y2O3后，可在保持GCTN復(fù)合涂層耐磨性基本不變的基礎(chǔ)上，大幅減小其摩擦因數(shù)。但是當(dāng)Y2O3的加入量過大時，反而會造成復(fù)合涂層的摩擦因數(shù)和磨損率增大。圖9所示為GCTN-2.5Y2O3復(fù)合涂層的磨損表面形貌?？梢?，GCTN-2.5Y2O3復(fù)合涂層的磨損表面的斷裂凹陷區(qū)域變多、變深，微觀斷裂現(xiàn)象變得更為劇烈。這是因?yàn)閅2O3加入量過大時，會造成復(fù)合涂層的顯微硬度和斷裂韌性降低，復(fù)合涂層在接觸應(yīng)力作用下容易產(chǎn)生圖10所示的微觀裂紋，導(dǎo)致復(fù)合涂層的磨損率增大。

圖8　GCTN-1.5Y2O3復(fù)合涂層磨損表面形貌

圖9　GCTN-2.5Y2O3復(fù)合涂層磨損表面形貌

圖10　GCTN-2.5Y2O3復(fù)合涂層磨損表面裂紋形貌

綜上所述，當(dāng)Y2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時，復(fù)合涂層的顯微硬度和斷裂韌性顯著提高，減少了復(fù)合涂層的黏著磨損和微觀斷裂磨損，提高了其減摩耐磨性能。

3　結(jié)論

(1)Y2O3改性石墨/CaF2/TiC/鎳基合金復(fù)合涂層主要由γ-Ni、CrB、Cr7C3、TiC、CaF2和石墨等物相組成。Y2O3在等離子火焰加熱作用下與C反應(yīng)生成活性元素Y，Y凈化了復(fù)合涂層的微觀組織，并細(xì)化了硬質(zhì)相CrB、Cr3C7等晶粒，提高了其致密性。

(2)Y2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時，復(fù)合涂層的顯微硬度和斷裂韌性分別為593.3 MPa和6.82 MPa·m1/2，較GCTN復(fù)合涂層分別增加8%和22%。其機(jī)理是Y2O3提高了復(fù)合涂層的致密性，細(xì)化了硬質(zhì)相晶粒，起到了細(xì)化強(qiáng)化作用。

(3)在GCTN復(fù)合涂層中添加適量的Y2O3可以有效減小其摩擦因數(shù)和磨損率，且當(dāng)Y2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時，復(fù)合涂層的摩擦因數(shù)和磨損率均達(dá)到最小，分別為0.085和0.39×10-3mm3/m。由于GCTN-0.5Y2O3復(fù)合涂層的顯微硬度和斷裂韌性顯著提高，減少了復(fù)合涂層的黏著磨損和微觀斷裂磨損，因而提高了其減摩耐磨性能。其磨損機(jī)理主要為黏著磨損和微觀斷裂磨損。

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(編輯陳勇)

Study on Microstructure and Tribological Properties of Y2O3Modified Graphite/CaF2/TiC/ Ni-base Alloy Composite Coatings

Cai Bin1,2Tan Yefa1Hu Xiaoguang3Tan Hua1Tang Jian1

1.PLA University of Science and Technology,Nanjing,210007 2.Military Representative Office of PLA 5808 Factory,Tai’an,Shandong,271000 3.Military Representative Office of Engineering Corps in Wuhan Area,Wuhan,430073

In order to improve the friction and wear properties, the graphite/CaF2/TiC/Ni-base alloy(GCTN) composite coatings were modified Y2O3and prepared by plasma spray on the surface of 45 carbon steel. The microstructure, microhardness, fracture toughness and tribological properties of the composite coatings were researched. The results show that the Y2O3modified GCTN composite coatings are mainly composed of γ-Ni, CrB, Cr7C3, TiC, CaF2and graphite. Y2O3reacts with C and produces active element Y by the heat of plasma flame. Y can purify the γ-Ni structure, refine the grain size of CrB and Cr3C7, and improve the density of the composite coating. When Y2O3is 0.5wt%, the microhardness and fracture toughness of the composite coating are 593.3 MPa and 6.82 MPa·m1/2respectively, which are increased by 8% and 22% than those of the composite coating without Y2O3, because of the refining strengthening effort of CrB and Cr3C7. The improvement of microhardness and fracture toughness of the GCTN-0.5Y2O3composite coating reduces the adhesive wear and micro fracture wear, so it presents the lowest friction coefficient and wear rate, which are 0.085 and 0.39×10-3mm3/m respectively.

composite material; Y2O3; graphite; CaF2; friction and wear; coating

2013-05-29

TH117.1DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.01.020

蔡濱，男，1985年生。解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院博士研究生，中國人民解放軍駐五八〇八廠軍代室工程師。主要研究方向?yàn)楸砻婀こ毯湍Σ翆W(xué)。發(fā)表論文20篇。譚業(yè)發(fā)，男，1963年生。解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。胡曉光，男，1982年生?？傃b備部工兵軍代局駐武漢地區(qū)軍代室工程師。譚華，男，1972年生。解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院講師。唐建，女，1972年生。解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院講師。