激光熔覆NiCr-ZrB2復(fù)合涂層結(jié)構(gòu)及高溫摩擦學(xué)性能

激光熔覆NiCr-ZrB2復(fù)合涂層結(jié)構(gòu)及高溫摩擦學(xué)性能摘要：

本文采用激光熔覆技術(shù)制備了NiCr-ZrB2復(fù)合涂層，并對其組織結(jié)構(gòu)及高溫摩擦學(xué)性能進行了研究。結(jié)果表明，該涂層由NiCr基體、ZrB2顆粒和NiCr-ZrB2界面相組成，微觀結(jié)構(gòu)緊密致密、界面結(jié)合牢固。在高溫摩擦學(xué)實驗中，該復(fù)合涂層的磨損率較低、摩擦系數(shù)穩(wěn)定且具有較好的高溫抗氧化性能，表現(xiàn)出良好的摩擦磨損性能。

關(guān)鍵詞：

激光熔覆；NiCr-ZrB2；復(fù)合涂層；高溫摩擦學(xué)

1.引言

高溫摩擦學(xué)涂層作為提高摩擦磨損性能的一種有效途徑，已成為研究的熱點。NiCr合金因其具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能、高耐熱性以及較好的抗氧化性能而被廣泛應(yīng)用于高溫摩擦學(xué)領(lǐng)域。而金屬陶瓷復(fù)合涂層，由于其具有金屬基體和均勻分布的微米級非金屬顆粒相，既具有金屬材料的高強度、硬度，又具有非金屬陶瓷的高耐磨性、高耐熱性和高抗氧化性，因此成為高溫摩擦學(xué)涂層研究的重要方向。

本文采用激光熔覆技術(shù)制備NiCr-ZrB2復(fù)合涂層，研究了其結(jié)構(gòu)與高溫摩擦學(xué)性能，并對復(fù)合涂層的摩擦磨損機理進行了探討。

2.實驗方法

2.1試樣制備

在Ti6Al4V鈦合金表面噴涂一層NiCr粉末，厚度為200μm，并將ZrB2顆粒均勻撒在NiCr粉末表面。利用激光熔覆設(shè)備將試樣進行涂覆，涂覆工藝參數(shù)為：激光功率1200W，掃描速度200mm/s，掃描軌跡輪廓形式為線性掃描。

2.2表征方法

利用掃描電鏡(SEM)觀察并分析復(fù)合涂層的顯微組織結(jié)構(gòu)。采用X射線衍射(XRD)分析涂層的組分結(jié)構(gòu)。采用高溫滑動試驗機器(HighTemperatureFrictionandWearTester,HTFWT)對涂層進行磨損測試。

3.結(jié)果與分析

3.1復(fù)合涂層的組織結(jié)構(gòu)

復(fù)合涂層的SEM圖像如圖1所示，可以看出該涂層由NiCr基體、ZrB2顆粒和NiCr-ZrB2界面相組成，微觀結(jié)構(gòu)緊密致密，界面結(jié)合牢固。

圖1NiCr-ZrB2復(fù)合涂層SEM圖像

3.2復(fù)合涂層的組成結(jié)構(gòu)

復(fù)合涂層經(jīng)過XRD分析后，可以看出復(fù)合涂層中含有NiCr基體、ZrB2顆粒等物質(zhì)，其中NiCr基體強度最高，ZrB2顆粒強度最小，表明合金基體中有著優(yōu)異的力學(xué)性能，而非金屬陶瓷的硬度也較高。

3.3復(fù)合涂層的高溫摩擦學(xué)性能

本文采用高溫摩擦學(xué)實驗評價復(fù)合涂層的性能，實驗條件如下：研磨材料為Sapphire球，球的直徑為10mm，質(zhì)量為4g，壓力為5N，滑動速度分別為1m/s和2m/s，摩擦溫度為500℃，不同重復(fù)試驗時鈦合金基材上的平均溫度上限不超過550℃。實驗結(jié)果如圖2所示，可以看出復(fù)合涂層的磨損率較低，摩擦系數(shù)穩(wěn)定，是一種良好的高溫摩擦學(xué)涂層。

圖2復(fù)合涂層的高溫摩擦學(xué)實驗結(jié)果

4.結(jié)論

本文采用激光熔覆技術(shù)制備了NiCr-ZrB2復(fù)合涂層，并對其組織結(jié)構(gòu)及高溫摩擦學(xué)性能進行了研究。結(jié)果表明，該涂層由NiCr基體、ZrB2顆粒和NiCr-ZrB2界面相組成，微觀結(jié)構(gòu)緊密致密、界面結(jié)合牢固。在高溫摩擦學(xué)實驗中，該復(fù)合涂層的磨損率較低、摩擦系數(shù)穩(wěn)定且具有較好的高溫抗氧化性能，表現(xiàn)出良好的摩擦磨損性能。此外，復(fù)合涂層的優(yōu)異性能可以歸因于NiCr和ZrB2優(yōu)異的力學(xué)性能。NiCr作為一種高強度的合金材料，在高溫下具有良好的力學(xué)性能和抗氧化性能，可以提高涂層的耐磨性和抗氧化性。ZrB2具有高硬度和良好的熱穩(wěn)定性，能夠提高涂層的耐磨性和耐高溫性能。同時，復(fù)合涂層中的NiCr-ZrB2界面結(jié)合緊密，可以提高涂層的結(jié)合強度和整體穩(wěn)定性。

需要指出的是，在高溫摩擦學(xué)實驗中，復(fù)合涂層的磨損率較低、摩擦系數(shù)穩(wěn)定和高溫抗氧化性能表現(xiàn)良好，但其摩擦學(xué)性能的優(yōu)良程度也會受到實驗條件的影響。因此，在實際應(yīng)用中，需要綜合考慮涂層的成本、制備工藝和具體應(yīng)用條件等多方面因素，以選擇最適合具體應(yīng)用場景的涂層材料和制備工藝。此外，復(fù)合涂層還可以通過優(yōu)化材料、制備工藝和涂層結(jié)構(gòu)來進一步提高其性能。例如，添加適量的添加劑可以改善涂層的抗熱疲勞性能和抗氧化性能，同時也可以減輕涂層的應(yīng)力，提高涂層的結(jié)合強度和耐磨性能。此外，采用多層結(jié)構(gòu)或納米復(fù)合涂層可以進一步提高涂層的抗磨性能和摩擦學(xué)性能。

除了在機械領(lǐng)域中的應(yīng)用，復(fù)合涂層還可以應(yīng)用于其他領(lǐng)域。例如，可將其用于航空航天領(lǐng)域的燃燒室、燃料儲罐和發(fā)動機部件等高溫部件的保護。此外，還可以將復(fù)合涂層用于電力、化工和冶金等領(lǐng)域的高溫設(shè)備，提高設(shè)備的耐磨性和高溫穩(wěn)定性。此外，還可以將其應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域的醫(yī)療器械和人工關(guān)節(jié)等部件，提高其耐磨性和生物相容性。

綜上所述，復(fù)合涂層具有良好的耐磨性、抗高溫、抗氧化性能和摩擦學(xué)性能，在機械、航空航天、電力、化工和醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。但需要指出的是，復(fù)合涂層的研究和應(yīng)用仍需要進一步的深入探究和完善，以滿足不同應(yīng)用場景的需求。對于復(fù)合涂層的材料選擇，有些情況下會優(yōu)先考慮環(huán)保和可再生材料，例如生物來源和生命循環(huán)評估。此類材料具有資源豐富、低成本、可再生以及環(huán)境友好等優(yōu)點，可以在工業(yè)應(yīng)用、能源利用和環(huán)境治理等方面應(yīng)用。

此外，隨著科技的進步，新型材料的涌現(xiàn)也為復(fù)合涂層的應(yīng)用提供了更多的可能性。例如，金屬有機骨架材料（MOFs）、碳纖維、陶瓷纖維等新型材料都具有優(yōu)秀的高溫穩(wěn)定性、力學(xué)性能和熱導(dǎo)率等優(yōu)點，在復(fù)合涂層的制備中也具有很大的潛力。

此外，復(fù)合涂層的應(yīng)用既受到材料本身的性能影響，也受到制備工藝和表面形貌的影響。因此，制備工藝的改進和升級也是提高涂層性能的重要途徑。例如，采用新型的制備方法，如等離子噴涂、離子束沉積等，不僅可以降低涂層的殘余應(yīng)力，還能提高涂層的致密性和金屬間化合物的形成，從而提高涂層的抗高溫、耐磨性和抗氧化性能。

綜上所述，選擇合適的材料、結(jié)構(gòu)和工藝，不斷優(yōu)化涂層設(shè)計和制備工藝，會對復(fù)合膜的性能提升和應(yīng)用產(chǎn)生深遠的影響。隨著科技水平和實踐經(jīng)驗的累積，相信復(fù)合涂層在未來仍將得到廣泛的應(yīng)用和迅速的發(fā)展。除了材料選擇和制備工藝的影響外，復(fù)合涂層的性能還受到多種因素的影響，如涂層表面形貌、厚度、金屬間物相組織等。這些因素的控制對于提高涂層的性能至關(guān)重要。

在控制涂層表面形貌方面，需要使用先進的表面處理技術(shù)，例如等離子噴涂、離子束沉積和物理氣相沉積等技術(shù)。通過調(diào)整噴涂參數(shù)和工藝流程，可以控制涂層的結(jié)晶度、晶體尺寸和晶體方向，從而實現(xiàn)對涂層表面形貌和結(jié)構(gòu)的精準控制。

涂層厚度的控制也是影響涂層性能的重要因素之一。過厚的涂層會增加組分不均勻、殘余應(yīng)力、裂紋和脫落等問題。因此，在確定涂層厚度時，需要考慮材料的性質(zhì)、應(yīng)用環(huán)境和工藝條件等多種因素，以達到最佳的涂層性能。

在金屬間物相組織方面，需要采用適當(dāng)?shù)慕M織控制手段來防止金屬間化合物在同質(zhì)界面處過度晶長和晶