ialzr合金高溫微動磨損性能研究

ialzr合金高溫微動磨損性能研究

1tialzr導(dǎo)電涂層的制備微雨磨損是原子能設(shè)備服務(wù)中不可避免的現(xiàn)象。能量消耗項目中的大部分破壞與微雨破壞有關(guān)，如蒸汽裝置的加熱管和鋯污染管[2.7]。對高溫微動磨損的研究始于20世紀(jì)70年代。然而,由于高溫微動的復(fù)雜性,人們對高溫狀態(tài)下的微動磨損行為和機(jī)理還缺乏足夠的了解。鈦合金是目前使用材料中比強(qiáng)度最高的材料之一,具有一系列的優(yōu)異性能。但是,鈦合金所固有的一些缺點限制了它的應(yīng)用,例如對微動磨損非常敏感。TiAlZr合金是一種新型材料。為了提高耐磨及抗微動磨損性能等,對TiAlZr合金進(jìn)行了熱噴涂Ni-Cr合金涂層的表面處理。本文對TiAlZr合金及其熱噴涂Ni-Cr合金涂層,進(jìn)行了不同溫度下微動摩損特性的對比研究,以期能夠找到高溫條件下抗微動磨損性能較好的涂層及工藝。2測試2.1實驗材料及試樣在高精度TE77高溫可控氣氛微動磨損試驗機(jī)(圖1)上進(jìn)行了球-平面接觸方式下的微動磨損試驗。配副件為Si3N4陶瓷球(ρ3.25g/cm3),直徑12mm,硬度HV1500。平面試樣為:(1)TiAlZr合金基材,尺寸10mm×10mm×25mm,試件表面用砂紙?zhí)幚?金剛石研磨膏拋光,用丙酮清洗后備用;(2)TiAlZr合金基材表面經(jīng)噴砂處理后,熱噴涂Ni-Cr合金,涂層厚約300μm。2.2微動試驗過程高溫微動磨損試驗在空氣中進(jìn)行。主要試驗參數(shù)為:法向載荷Fn為50N;溫度為200℃和400℃;位移幅值為100μm;頻率為5Hz;循環(huán)次數(shù)為50000次。溫度探測點靠近微動接觸表面,為減少微動表面與探測點溫度差異,將溫度升至設(shè)定溫度,穩(wěn)定30min后開始試驗。試驗結(jié)束后,用光學(xué)顯微鏡、激光共焦掃描電鏡和掃描電鏡進(jìn)行微動磨痕的組織與形貌特征觀察和磨痕深度體積測量。在微動試驗過程中,摩擦力隨位移、循環(huán)次數(shù)的變化曲線(微動摩擦特性三維圖)由控制系統(tǒng)自動記錄。借助于這些隨時變化的基本數(shù)據(jù),可以進(jìn)一步得到摩擦系數(shù)等一系列有關(guān)微動過程的動態(tài)變化信息,并作為分析微動摩擦動態(tài)特性的重要依據(jù)。3高溫下ni-cr合金涂層的耐摩擦性對于TiAlZr合金及其熱噴涂Ni-Cr合金涂層而言,相同溫度條件下,當(dāng)改變載荷時,根據(jù)相應(yīng)的摩擦特性曲線,可以分為部分滑移區(qū)、混合區(qū)和滑移區(qū)。本文主要對滑移區(qū)微動磨損進(jìn)行研究。當(dāng)法向載荷Fn=50N、位移D=100μm時,在200℃和400℃條件下,TiAlZr合金及其Ni-Cr合金涂層滑移區(qū)微動摩擦特性曲線示于圖2。從圖2可以看出,TiAlZr合金及其Ni-Cr合金涂層都處于滑移區(qū)。在不同溫度下,TiAlZr合金與Ni-Cr合金涂層的摩擦系數(shù)的比較示于圖3。由圖3可見,當(dāng)溫度為200℃時,TiAlZr合金穩(wěn)態(tài)時摩擦系數(shù)較低(約為0.2～0.4),熱噴涂Ni-Cr合金涂層穩(wěn)態(tài)時摩擦系數(shù)較高(約為0.6～0.8);在400℃時,熱噴涂Ni-Cr合金涂層穩(wěn)態(tài)時摩擦系數(shù)大大下降(約為0.3),而TiAlZr合金穩(wěn)態(tài)時摩擦系數(shù)升高(約為0.4～0.6)。高溫條件下,TiAlZr合金抗微動磨損性能較差。在磨損過程中,鈦合金表面的氧化和氧脆使合金表面的氧化磨屑不斷剝落;細(xì)小的磨屑以片狀、顆粒狀從基體上剝落,分布在磨痕表面(圖4)。在200℃時,TiAlZr合金磨痕心部一層層剝落,每層剝落少量的粒狀磨屑。而在400℃時,磨痕中的剝落比較嚴(yán)重,存在大量顆粒狀、片狀磨屑。顯然,當(dāng)400℃時,磨損加劇。隨著溫度的上升,TiAlZr合金的抗微動磨損能力下降。這是因為隨著溫度上升,鈦合金表面的氧化和氧脆變得更加嚴(yán)重。熱噴涂Ni-Cr合金涂層表面較為粗糙,存在很多孔穴和凸峰,使摩擦系數(shù)較高。由于熱噴涂層的含氧量較高,易于促進(jìn)表面氧化膜的生成,氧化膜具有自潤滑性。200℃時,氧化膜生成速度較小,摩擦系數(shù)較高。400℃時,氧的活性更大,更易于氧化膜的生成,摩擦系數(shù)較小。另外,熱噴涂Ni-Cr合金涂層具有非常好的高溫穩(wěn)定性,在高溫條件下,涂層的硬度不變。XRD分析表明:室溫下熱噴涂Ni-Cr合金涂層中含有NiO、Cr2O3等氧化物強(qiáng)化相。可以推斷,NiO、Cr2O3等氧化物相含量將隨溫度的升高而增加,彌散分布的氧化物強(qiáng)化相使耐磨性大大提高。因此,熱噴涂Ni-Cr合金涂層在高溫條件下表現(xiàn)出良好的耐磨性。由SEM可以看出(圖4c和圖4d),在與對磨球接觸的中心部位無磨屑?xì)埩?在涂層表面存在細(xì)微的劃痕,屬于磨粒磨損。圖5是TiAlZr合金及其熱噴涂Ni-Cr合金涂層的磨損體積與溫度關(guān)系圖,可以說明熱噴涂Ni-Cr合金涂層在400℃時具有優(yōu)異的抗微動磨損特性。這從磨痕立體形貌圖上也得到證實。表明在高溫條件下熱噴涂Ni-Cr合金涂層具有較好的抗微動磨損能力。由此可見,當(dāng)微動處于滑移區(qū)時,溫度對TiAlZr合金及其熱噴涂Ni-Cr合金涂層微動磨損的影響十分顯著。4熱噴涂ni-cr合金涂層的抗微動磨損性能通過以上分析研究,可以得出以下主要結(jié)論:溫度對TiAlZr合金及其熱噴涂Ni-Cr合金涂層在滑移區(qū)的微動影響較大。在滑移區(qū),TiAlZr合金隨著溫度上升抗微動磨損性能下降;而熱噴涂Ni-Cr合金涂層的抗微動磨損性能隨溫度升高而增加。特別是在400℃