热喷涂技术在抗微动损伤中的应用.pdf

有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年增刊9 3 热喷涂技术在抗微动损伤中的应用 王磊，梅雪珍，马江虹 北京矿冶研究总院，北京1 0 0 0 4 4 摘要微动损伤普遍存在于紧密配合部件中，是造成零部件失效的主要祸患之一。采用热喷涂技术，在 配合件接触面喷涂抗微动损伤涂层，能有效地降低微动损伤，具有抗损伤效果好、经济效益显著等特点， 得到了较广泛的研究与应用。 关键词热喷涂；微动损伤；失效；涂层 中图分类号T G l 7 4 ．2文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 6 S O 一0 0 9 3 0 3 A p p l i c a t i o no fT h e r m a lS p r a yT e c h n o l o g yo nR e s i s t a n c et oF r e t t i n g W A N GL e i ，M E IX u e z h e n ，M AJ i a n g h o n g B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n g ＆M e t a l l u r g y ，B e i j i n g1 0 0 0 4 4 ，C h i n a A b s t r a c t F r e t t i n gd a m a g ee x i s t so nt i g h t l ym a t i n gp a r t sa tl a r g e ，w h i c hi so n eo ft h ed i s a s t e rr e a s o nm a k i n g c o m p o n e n t sa n dp a r t sf a i l ．T h e r m a ls p r a yc o a t i n g sf o rr e s i s t a n c et of r e t t i n ga ti n t e r f a c eo fm a t i n gp a r t sc a nd e c r e a s ef r e t t i n gd a m a g ei ne f f e c t ．T h ec o a t i n gh a st h ea d v a n t a g eo fg o o de f f e c ta n dl o wc o s t ，S Oi th a sb e e ns t u d i e da n da p p l i e dw i d e l y ． K e y w o r d s T h e r m a ls p r a y ；F r e t t i n gd a m a g e ；F a i l u r e ；C o a t i n g 微动损伤是在结构振动或交变应力作用下相互 配合并紧密固定在一起的部件之间相互接触并发生 微小振幅的相对运动所引起的磨损现象HJ 。它是 一种非常复杂的现象，可能同时伴有磨损、疲劳和腐 蚀。微动损伤普遍存在于机械行业、航空航天器、核 反应堆、电力工业、桥梁工程、交通运输工具甚至人 工植入器官等领域的紧密配合部件中，已成为大量 关键零部件失效的主要祸患之一。特别在航空工业 中，微动损伤的危害非常普遍。据估计在航空结构 破坏中涉及微动损伤的比例高达9 0 ％[ 2 ] 。然而钛 合金耐磨性能差，对微动疲劳和微动磨损损伤十分 敏感，研究表明在航空结构中微动作用通常使钛合 金疲劳极限降低2 0 ％～5 0 ％。因此提高紧密配合 件的抗微动损伤抗力已成为提高结构可靠性的重要 手段。 微动损伤机理较为复杂，它牵涉到粘着、腐蚀、 疲劳及磨粒磨损等多种磨损机制[ 1J 。磨损和疲劳 作者简介王磊 1 9 7 9 一 ，男，硕士，河北定州人 作为主要的微动失效方式，往往在同一接触面内发 生，其作用机理既有区别，又互相影响。磨损的特征 表现为磨屑脱落。微动磨损主要由振动或位移引 起，滑动振幅的大小是影响微动磨损的主要因素。 而疲劳的特征表现为裂纹形核和扩展及由此引起的 疲劳断裂失效。裂纹一般在微动接触区的应力集中 处形核，随后裂纹的扩展方向主要受滑动振幅的影 响。当滑动振幅较大时，裂纹的扩展方向趋于与接 触表面平行，结果当裂纹扩展至表面时，磨屑颗粒脱 落产生麻坑而不形成扩展疲劳裂纹，因此增加滑动 振幅有利于延长疲劳寿命⋯1 。 利用表面涂层和改性技术是提高抗微动损伤的 重要措施[ 3 ] ，目前提高微动损伤抗力的表面处理技 术包括喷丸强化、化学转化层 阳极氧化 、激光氮 化，电镀层、物理气相沉积膜层、有机涂层、离子注 入、干膜润滑层、热喷涂等。 其中热喷涂是一项迅速发展的表面强化新工艺 万方数据 9 4 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年增刊 新技术。它是通过专用的技术装备，将所需的金属、 非金属材料加热至熔化或半熔融状态，并随高速焰 流的细微粒子沉积于经过预先制备的基体表面形成 涂层。这一技术最大特点在于喷涂材料可通过精心 设计而获得，对基材适应性强，即使是极普通的基体 材料也可获得高质量高性能的表面喷涂层【4J 。 使用热喷涂技术在配合件接触面喷涂抗微动损 伤涂层，具有抗损伤效果好、经济效益显著的特点， 得到了较广泛的应用。从使用材料的角度上讲，喷 涂所获得的表面改性层分为金属涂层和非金属涂 层；从表面摩擦学的角度来看，喷涂层可分为硬质保 护性抗磨涂层和软质润滑性减摩涂层。硬质保护性 抗磨涂层通过提高微动接触面的硬度、屈服强度，即 提高耐磨性来改善抗微动损伤性能；软质润滑性减 摩涂层通过润滑作用降低摩擦因数⋯3 ，改善微动运 行条件，可有效提高材料的抗微动损伤性能。 1 金属涂层 1 ．1 硬质金属涂层 硬质金属涂层因为硬度很高，因而多用于抗微 动磨损。在摩擦表面喷涂C o 、M o 、F e C r 、1 8 C r 2 8 N i 不锈钢、N i C r 等硬质金属涂层，在一定程度上可提 高涂层的抗微动磨损性能。在T i 6 A 1 4 V 合金上等 离子喷涂C o ／W C 涂层，可降低了与其对磨的 T i 6 A 1 4 V 合金的微动磨损b J 。这是由于粘接相C o 具有抗粘着性能，可以防止涂层的粘着破坏和金属 转移；同时C o 通过形成一层薄膜而减轻硬质陶瓷 颗粒的磨粒磨损作用。火焰喷涂M o 涂层可提高涂 层的抗微动磨损性能MJ ，这是因为涂层中存在弥散 分布的M 0 0 2 硬质相，M 0 0 2 均匀分布于微动磨损 表面，阻止了金属间的接触并降低了摩擦因数。但 当温度高于3 0 0 ℃时，M o 涂层的磨损率有所增加， 推测是由于部分M o O z 转变成M 0 0 3 ，M 0 0 3 产生了 磨粒磨损所致。电弧喷涂F e C r 涂层、1 8 C r 2 8 N i 不 锈钢涂层复合涂层，在喷涂过程中形成弥散分布的 铁和铬的氧化物，表面氧化物降低了摩擦因数，但当 微动循环次数增多时，由于表面氧化物不足以分离 金属表面，因此粘着和微动破坏导致了摩擦因数的 升高，其磨损率则与基体材料相近。当温度升至 4 7 5 ℃时，快速形成的M ，0 4 型氧化膜又降低了摩擦 因数和磨损率，抗微动磨损性能显著提高№J 。但 是，硬金属涂层在成形过程中易产生张应力，所以不 宜用于改善材料的微动疲劳性能。 1 ．2 软质金属涂层 软质金属弹性模量低，易变形，吸收振动过程中 的能量，而使裂纹在更高的应力水平或更长的循环 次数产生。T h o m a [ 7J 研究了C u 、A 1 、A g 、C o 、N i 等电 镀层对T i 2 6 A 1 2 4 V 合金室温下的微动疲劳防护，并 指出铜镀层对钛合金有较佳的防护作用，几乎可以 完全消除微动损伤的有害影响。沈桂琴等旧J 研究 了在T C l l 钛合金上火焰喷涂C u 涂层对合金的微 动疲劳强度的影响，结果显示火焰喷涂C u 涂层在 室温下使该合金的微动疲劳强度提高6 2 ％，5 0 0 ℃ 下使该合金的微动疲劳强度提高3 0 ％。但是无论 是室温还是5 0 0 ℃，C u 涂层微动接触区的变形很 大，涂层损伤比较严重。以涂层的损伤换取基体微 动疲劳强度的提高，这一方法不适用于精密配合的 结构。C u N i I n 涂层是在C u 涂层的基础上进行的改 造，提高了涂层的硬度，减小了磨损损伤，虽然其微 动疲劳的防护效果相对于C u 涂层有所降低，但综 合性能较好，得到了较广泛的工业应用。外国的一 些发动机制造商，如G E 、R o l l s ．R o y c e 、S N E C M A 等 已使用C u N i I n 涂层作为航空发动机压气机叶片之 间以及叶片和轮盘榫槽之间的抗微动磨损。 N i A I M n 软质合金涂层内含有少量氧化物，在 室温微动摩损条件下金属问很快接触使摩擦因数急 剧升高，随后发生表面粘着和撕裂。但当温度升至 7 0 0 ℃时，因氧化物的快速生长起到了充分的保护作 用，而使得摩擦因数显著下降L 6J 。 2 非金属涂层 硬质非金属涂层主要是一些陶瓷涂层。如在 T i 6 A 1 4 V 合金表面等离子喷涂础2 0 3 一T i 0 2 硬质涂 层[ 5 ] ，具有抗磨损能力强和对湿度不敏感的特点， 可用作易磨损或疲劳机件的表面涂层，具有较好的 耐微动损伤能力。 软质非金属涂层主要指固体润滑剂涂层及高分 子涂层等，其特点是柔韧性好，摩擦因数小。软质非 金属润滑涂层抗微动磨损性能较差，一般只作牺牲 涂层使用，但其摩擦因数低并可有效提高材料的微 动疲劳性能引3 。舢青铜 芳香型聚酯涂层作为牺 牲涂层，可用作易磨损机件的表面涂层【5 ] 。在钢基 体表面喷涂添加P T F E 固体润滑剂的环氧树脂和添 加P T F E 固体润滑剂的聚酰亚胺树脂，可使得微动 接触的运行条件均有明显改善，从而使钢基体免受 磨损和开裂旧J 。 3结束语 许多研究者在应用热喷涂技术提高材料抗微动 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年增刊 9 5 损伤性能方面做了很多尝试，并取得了较大的研究 进展。但应该指出的是，虽然在一定的试验条件下， 上述的涂层都能不同程度地改善材料的微动磨损性 能。但在实际应用中必须注意涂层喷涂方式、涂层 与基体的结合强度、温度、湿度、环境等因素对微动 磨损行为的影响。比如使用等离子喷涂在T C l l 合 金表面喷涂C o ／W C 涂层，可有效降低T C l l 合金的 微动磨损，涂层在室温和5 0 0 ℃时都使T C l l 合金的 微动疲劳强度提高4 0 ％以上；但是用爆炸喷涂C o ／ W C 涂层，却导致室温和5 0 0 ℃时T C l l 合金的疲劳 强度大幅度降低旧J 。这是因为爆炸喷涂C o ／W C 涂 层硬度远大于T C l l 合金，在微动条件下，当基体变 形时，涂层不能跟随其变形，在涂层与基体的结合 面上形成很大应力，裂纹提前产生而导致T C l l 合 金的疲劳强度大幅度降低。因此必须结合实际应用 中易微动磨损部件的服役条件，选择合适的热喷涂 技术手段，才能有效提高其抗微动磨损性能。 参考文献 [ 1 ] W a t e r h o u s eR ．B ．F r e t t i n gC o r r o s i o n [ M ] ．P e r g a m o n P r e s s ，N e wY o r k ，1 9 7 2 ． [ 2 ] 刘道新，刘元镛，刘双梅，等．航空钛合金结构的几种典 型损伤形式及控制[ J ] 。航空工程与维修，2 0 0 0 4 2 2 2 3 ． [ 3 ] 徐桂珍，刘家浚，周仲荣．表面改性技术在微动摩擦学 领域中的应用[ J ] ．摩擦学学报，1 9 9 8 6 1 8 5 1 9 0 ． [ 4 ] 张明洋．热喷涂技术及其应用[ J ] ．冶金设备，1 9 9 4 2 4 9 5 5 ． 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