HVOF喷涂喷镍基合金的微观结构特征和性能Nano-h-BN自润滑复合涂层

文摘

镍基合金/ nano-h-BN自润滑复合涂层是在中碳钢高速氧燃料(HVOF喷涂)喷涂技术。HVOF喷涂喷涂的粉末原料是由球磨和凝聚nano-h-BN镍基合金粉末。涂层的微观结构和力学性能进行了研究。h-BN内容的增加,一些分层逐步出现在涂料和连续网络h-BN嵌入金属基体中形成阶段。自润滑涂层的平均显微硬度有点低的软固体润滑剂。涂层的摩擦系数在0.38 - -0.48和0.38 - -0.52的范围内环境温度和400°C,分别。的最大涂层结合强度达到23.83 MPa。

1。介绍

固体润滑涂层通常在极端环境的应用程序中使用液体润滑油和油脂是无效的1]。例如,在高档铝合金汽车板的成形过程温度400 - 500°C,液体润滑油和油脂很容易粘在模具表面,导致模具工作条件的恶化。Postcleaning和处置这些润滑油和油脂是困难和昂贵的,对生产效率有很大的影响2,3]。传统的固体润滑剂,如石墨、二硫化钼(金属氧化物半导体₂),是不友好的环境,因为黑色和不可接受的400°C以上的抗氧化性能不足适度潮湿的空气(0.30% RH) (4]。所面临的挑战是要找到一个材料,空气中有更好的化学稳定性高于400°C和仍然提供了低摩擦磨损保护。

六角氮化硼(h-BN)最近被称为一种新型的陶瓷材料。有很好的润滑性能较低的摩擦系数、热导率高,和优良的耐高温,加上价格适中,白色,无毒5,6]。这些特点,h-BN适合作为固体润滑阶段复合涂层。此外,镍基自熔合金具有更好的抗氧化性能在高温下具有良好的耐磨性和具有良好的润湿性铁氧体基片(7]。因此,Ni45自熔粉末和涂层基质材料选择。

有几种方法来产生固体润滑剂涂层(1),如物理气相沉积(PVD)过程,化学气相沉积(CVD)、激光熔覆、热喷涂、复合镀,并粘贴。在这些方法中,高速氧燃料(技术)是一种竞争的方法来生产高质量的涂料。通过燃烧碳氢化合物气体氧气,喷雾设备旨在实现超音速燃气的扩张;气体出口速度是1000米/秒以上,所以粒子沉积到衬底形成致密和强大的附着力涂料(8,9]。

本文的目的是调查的组织和摩擦学性能HVOF-sprayed Ni45-h-BN复合涂料在环境温度和400°C,分别。此外,涂层的结合强度测试根据ASTM c - 633 - 79标准。

2。实验的程序

2.1。材料和加工

涂层材料在实验nano-h-BN粉末和Ni45自熔粉末的平均组成15 cr - 3 b - 3.5 - si - 0.6 - c - 12 - fe - Ni (wt. %)的平衡。粒子大小的原始涂层粉末80海里,37.5 ~ 60μm h-BN和Ni45自熔粉,分别作为列在下表中1。在喷涂之前,涂层材料混合一定比例的重量和球磨亚微米大小,然后凝聚与一些有机粘结剂成45μ米粒子通过讨论方法。图1显示了凝聚粒子用于热喷涂。基质是中碳钢的作文fe - 0.45 - 0.3 c - - si - 0.6 - mn (wt. %),表面是Ra 0.8μ米,然后用乙醇清洗其次是丙酮和喷砂的刚玉大小HVOF喷涂喷涂前20 - 24网格。凝聚粒子与高速度和高热能喷洒到衬底形成致密的涂层,如图2的总厚度在350 ~ 400的范围μm。

进行了喷涂KY-HVO / AF系统。煤油和氧气被用作燃料和助燃气体,分别。在喷涂,燃烧室压力为0.9 MPa,氧气压力为1.4 MPa,氧气通量是24 g / s,煤油为1.5 MPa的压力,和煤油通量是8 g / s。喷涂距离保持在380毫米;氮气作为载气粉,在0.35 MPa。

准备自润滑涂层的特点是使用扫描电子显微镜(SEM)配备了一个能量色散谱仪(EDS)和x射线衍射(XRD) CuK_α辐射。为了更好的观察涂层的微观结构,有些抛光涂料蚀刻着浓盐酸和浓硝酸的混合体积比3:1 3分钟。涂层的硬度是衡量Buehler-II显微硬度试验机加载200 g和停留时间15秒。

2.2。摩擦性能测试

涂层的摩擦磨损行为是由pin-on-ring摩擦计在室温和400°C,分别。pin-on-ring的示意图如图3。戒指大小是Ø138 mm×30毫米,这是一个滚珠轴承钢贸易法E52100硬度HRC 60 - 62。销标本的大小从衬底是6毫米长×宽4毫米×10毫米高,固定在测试平台的持有人。在测试之前,环和销标本和600粗燕麦粉砂纸抛光,然后用丙酮清洗。摩擦磨损测试在1.0或2.0 m / s的滑动速度和负载20或40 N,在环境温度和400°C。

2.3。粘合强度测试

涂料被扯下测量的粘合强度测试方法按照ASTM c - 633 - 79标准。通用测试机(日本岛津公司AG-1 250 KN,日本)允许力测量精度±1%的表示力测试。准备的标本分别与直径15毫米钢衬底在同一热喷涂处理。使用的商用胶粘剂是一个环氧树脂(e),应用于涂层表面,加入了对抗。加入后,标本固定在夹具保持涂层试样之间的同轴度和柜台块,放在烤箱在100°C 3小时,然后样品冷却到室温。胶测试进行了single-tension模式,1毫米/分钟的速度与张力。涂层的粘附强度评估时试样被打破了。对于每一个涂层,三个测试块的平均值作为粘合强度的指标。

3所示。结果与讨论

3.1。复合涂层的微观结构

涂层的微观结构不同的组件图所示4。图4(一个)显示了包含5 wt涂层的横截面。% h-BN。没有明显的分层观察致密涂层。有一个明确的涂层和基体之间的差距,这可能会影响涂料的粘合强度。一些分层逐步出现在涂料与h-BN增加内容,如图4(b),金属基体形成了一个连续的网络h-BN阶段是嵌入式。黑色区域微观结构的嵌入式h-BN或孔隙度(如图4(b1)和4(b2))。

涂层的显微硬度和接口测试随机在五个不同的地方,和三个压痕进行每一个位置。每个位置的平均值如图5。显微硬度的结果,正如所料,表示值的显著差异对h-BN在涂层的内容。与h-BN添加到Ni45矩阵的增加,平均显微硬度涂层显示有点下降的趋势。即使在给定组件涂层,有轻微通过涂层截面硬度变化。两个原因可能是负责这些现象;原因之一是h-BN软阶段在涂层与基体相;固体润滑剂阶段硬涂层的存在增加了分散在涂料硬度值测量和整个涂层的硬度下降。另一个原因是涂层的孔隙度和相位的分布结构的金属基体和固体润滑剂阶段,导致整个涂层硬度的波动和变化。这表明,上述原因中扮演重要角色的变化为给定的涂层硬度测量(10]。

图6展示了XRD as-sprayed涂料的模式,它证实了h-BN和镍基合金涂层的固溶体。由于B和N被光元素,XRD分析只显示特定数量的h-BN热喷涂后的涂层。凝聚的一部分粉末颗粒在喷涂可能瓦解,释放一些h-BN小尺寸粒子,质量沉积到衬底不足。涂层的大量h-BN可能远低于固体润滑剂的存在与原材料粉末粒子凝聚。

3.2。涂层的摩擦系数

图7显示了as-sprayed涂层的摩擦系数,即包含10 wt。% h-BN,对AISI E52100的滑动轴承钢在环境温度和400°C,分别。如图7,涂料表现出较低的平均摩擦系数与涂层比较没有固体润滑剂。Ni45-hBN复合涂层的摩擦系数在0.38 - -0.48和0.38 - -0.52的范围内环境温度和400°C,分别。比较Ni45涂层的摩擦系数(0.61),复合涂层提高了摩擦学性能。此外,测试温度对涂层的摩擦系数的影响不大。一些波动平均值随温度的上升趋势增大。摩擦系数在400°C的波动尤为明显缩短磨合段时间后在室温下相比,这可能与涂层性能和转移tribocouple接口的电影。此外,负载的影响涂层的摩擦系数也显示在图7。在环境温度,负载20 N, 40 N几乎有相同的摩擦系数不顾不稳定因素的影响,在初始阶段的测试。然而40 N的负荷有较低的摩擦系数比20 N 400°C。

3.3。粘合强度的涂层

粘合强度是最重要的因素之一,在热喷涂层,因为它直接关系到涂层的耐久性。如果as-sprayed涂料以失败结束前的胶粘剂剥离涂层和基体之间的,那么重要的粘合强度不能确定。通过这些实验评估的唯一信息是,涂层系统具有良好的粘合强度。但如果骨折发生在涂料、涂层的粘附强度等于实验值。裂缝发起在涂层拉了试验机加载在某种程度上,通过凝聚粒子传播,然后骨折发生在脆弱地区的涂层。如图8,5 wt Ni45-h-BN复合涂料的组成部分。10 wt %,。15 wt %,。% h-BN,骨折负荷达到4.2 kN, 2.7 kN,和1.5 kN,转换为拉应力,相当于23.83 MPa, 15.08 MPa, 8.3 MPa。

一般来说,它被认为是粘合强度是相对于镀层和基体之间的结合模式,如机械联锁,物理键,或冶金结合11,12]。对镍基自熔合金熔点较低,部分Ni45合金在粒子表面semimelted在喷涂过程中,充满了粗糙的衬底,形成一定的山谷机械联锁债券在涂层/基体的界面。此外,部分融化粒子容易被氧化在高压氧气的环境中,这可能会严重影响镀层和基体之间的结合强度和涂层的互连,并导致孔隙度的增加涂层。此外,对于混合nano-h-BN Ni45粉末,凝聚粒子低密度,这严重降低了颗粒在喷涂过程中,衬底的冲动,导致涂层和基体之间的弱键,以及内部涂层。如数据所示9(一个)和9 (b)、拉伸断裂的复合涂层基本上是脆性断裂在自然界中,占主导地位,但与解理断裂的一小部分有酒窝的模式复合粒子。

数据9 (c)和9 (d)显示了涂层的显微图。一些凸起和蛀牙的形状就像凝聚粒子,表面出现裂缝,这将是凝聚粒子的痕迹,当沿着边界断裂生成的粒子。

4所示。结论

(1)包含nano-h-BN原料球磨产生的成功和凝聚,以满足技术喷涂过程的要求。(2)复合涂层与某些粘附强度是通过使用HVOF喷涂技术。h-BN增加的内容,分层逐步出现在涂料和涂层的显微硬度显著下降。(3)as-sprayed涂层的摩擦系数在0.38 - -0.48和0.38 - -0.52的范围内环境温度和400°C,分别。(4)as-sprayed涂料的粘合强度比较低的其它金属合金粉末与HVOF喷涂过程;h-BN Ni45和低密度的一致性h-BN将负责。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者要感谢艾华。小王和Xianglin。张,材料科学与工程学院,华中科技大学在涂层制备技术援助。这项工作的资金支持是由中国国家自然科学基金(没有。50575081)。

引用

1. c . Donnet和a . Erdemir固体润滑剂涂层:最近的进展和未来的趋势,”摩擦学的信,17卷,不。3、389 - 397年,2004页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. m·梅尔·m·Pfestorf m .盖革,m . Merklein“干膜润滑剂的使用铝板料成形,“穿,卷255,不。广州1455 - 1462年,2003页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. t . Horiuchi美国吉原俊井认为,y Iriyama“干深压延性与DLC-coating A5052铝合金薄板,”穿卷,286 - 287,79 - 83年,2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. p·d·Fleischauer和j . r . Lince”比较MoS的氧化和氧替代₂固体膜润滑剂。”摩擦学国际,32卷,不。11日,第636 - 627页,1999年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. s . Mahathanabodee t . Palathai s Raadnui r . Tongsri和n . Sombatsompop SS 316 l的“干滑动磨损行为包含h-BN和金属氧化物半导体复合材料₂固体润滑剂。”穿,卷316,不。1 - 2,37-48,2014页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. j .为和c . Lesniak氮化硼(BN)和BN复合材料高温应用,”欧洲陶瓷学会杂志》上,28卷,不。5,1105 - 1109年,2008页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. 张x张a, x, z黄”激光包层的微观结构和性能nano-Ni -封装h-BN / CaF₂复合涂层。”华中科技大学学报,37卷,不。1,第四,2009页。视图:谷歌学术搜索
8. c .太阳l .郭g . Lu y Lv, f .你们,”在技术或喷涂粒子和基体之间的界面粘结,”应用表面科学卷,317年,第913 - 908页,2014年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. b . Wielage a .手淫h . Pokhmurska et al .,“HVOF喷涂喷涂技术的发展和趋势,”表面和涂层技术,卷201,不。5,2032 - 2037年,2006页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. j .看和马普尔b . r .含有固体润滑剂摩擦学的热喷涂金属陶瓷涂层的性能,”表面和涂层技术,卷127,不。2 - 3、155 - 166年,2000页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. y y。王,C.-J。李,a . Ohmori”检查的影响因素高速氧燃料喷涂料的粘结强度,”表面和涂层技术,卷200,不。9日,第2928 - 2923页,2006年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. s . Kamnis顾,t . j . Lu和c·陈,“数值模拟的结合机制HVOF喷涂喷粒子,“计算材料科学,46卷,不。4、1038 - 1043年,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

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