论文摘要
随着现代工业的发展,实际工况对机械零部件的性能提出了更高的要求。在机械零部件表面喷涂涂层,既可以提高其表面性能、改善其使用性能和使用寿命又可以提高经济效益。等离子喷涂涂层具有较高的硬度、较好的耐磨性和耐蚀性而被广泛的应用于材料表面改性方面。本文以微米级Al2O3-TiO2和ZrO2为喷涂原材料,在合理控制喷涂工艺条件下,采用等离子喷涂技术在20钢基体上制备以Ni/Al为打底层的ZrO2/Al2O3陶瓷涂层,即:10wt.%ZrO2-Al2O3-TiO2（10ZAT）、20wt.%ZrO2-Al2O3TiO2（20ZAT）、40wt.%ZrO2-Al2O3-TiO2（40ZAT）。采用SEM、EDS、XRD等手段表征了涂层的组织结构和物相组成,测试了涂层的摩擦磨损性能。研究结果如下: SEM观察表明,涂层呈典型的层状结构,层与层之间相互交错、波浪式叠加堆积且以机械结合为主,涂层中存在熔融区、未熔区、微裂纹、孔隙等;EDS分析表明,ZrO2和其他元素均匀的分布在涂层中;XRD分析表明,原始粉末的物相组成主要为α-Al2O3、t-ZrO2和TiO2,喷涂后,涂层的物相组成发生了变化,即α-Al2O3转变成不稳定相γ- Al2O3,同时出现了Al2O3和TiO2反应生成的新相Al2TiO5,t-ZrO2相保持不变,涂层中还存有少量的α-Al2O3。随着ZrO2含量的增大,涂层的孔隙率呈增大趋势,即:10ZAT涂层的为5.23%、20ZAT涂层的为5.21%、40ZAT涂层的为5.59%,涂层的显微硬度依次减小,分别为537.8、534.9和529.3HV0.1,而涂层的断裂韧性总体呈增大趋势,40ZAT涂层的为8.09J/m2,比10ZAT和20ZAT涂层的分别提高10.5%和13.3%。对比涂层组分、显微硬度、孔隙率和断裂韧性可知,随着ZrO2含量的增大,涂层的显微硬度降低而其孔隙率和断裂韧性增大,随着孔隙率的增大,涂层的断裂韧性也增大。10ZAT、20ZAT和40ZAT涂层的结合强度分别为26.98、26.68和27.96MPa。摩擦磨损试验结果表明,在载荷500g、总转数5000转条件下,涂层的摩擦系数随着转速的增大而减小,在相同的转速下,40ZAT涂层的摩擦系数最小;涂层的体积磨损量随转速的增大而减小,在相同的转速下,40ZAT涂层的体积磨损量最小;涂层的体积磨损率随磨损时间的增大而总体呈现增大,在相同的磨损时间下,40ZAT涂层的体积磨损率最小。分析磨痕和磨屑的微观形貌可知,10ZAT和20ZAT涂层的磨损机理为微观断裂引起的剥落磨损,而40ZAT涂层的为磨粒磨损和粘着磨损,但以磨粒磨损为主。高速摩擦磨损条件下,随着载荷的增大,40ZAT涂层的摩擦系数减小,而其磨损率增大,磨损机理由磨粒磨损、轻微的剥落磨损为主转变为微观断裂引起的剥落磨损和粘着磨损共同作用;本文中涂层的显微硬度、内聚结合强度和断裂韧性同时影响涂层的摩擦磨损性能,而涂层的断裂韧性对40ZAT陶瓷涂层磨损性能的影响处于主导地位。ZrO2的不同含量影响ZrO2/Al2O3陶瓷涂层的摩擦磨损性能,40ZAT涂层的断裂韧性和摩擦磨损性能最好。