等离子喷涂组织接触损伤研究

等离子喷涂修复技术可明显延长齿轮、轴承等滚动接触疲劳失效零件的再服役寿命，降低生产成本，具有非常重要的实际应用价值［1－4］。因此，研究等离子修复涂层的组织特征和抗接触疲劳性能尤为重要［5］。研究表明，纳米晶合金具有极高的强韧性、良好的抗接触疲劳性和耐磨性［6］，因此纳米化技术是当前材料研究领域的热点之一［7－9］。本工作采用超音速等离子喷涂技术在45＃钢基体上成功制备了含有大量弥散分布的纳米α（Fe，Cr）相的Fe基合金涂层，并对涂层的组织结构、相结构进行了研究。以球盘式接触疲劳实验机为平台，利用声发射技术实时监测涂层的疲劳损伤过程，借助RMS曲线分析了疲劳损伤全过程。

1涂层的制备及实验方法

实验用基体材料为淬火45＃钢，外径、内径及高度分别为60，30，25mm的圆环试样，端面磨光处理。喷涂前先对基体进行丙酮清洗，为改善涂层与基体的结合性能，端面进行棕刚玉喷砂粗化，并用喷枪预热至100～200℃。工作层为Fe基自熔性合金成分为（质量分数／％，下同）：Cr13．6，B1．6，Si

1．1，C0．15，Fe83．55，粒度为200～325目；打底层为AlSiNi合金（Al85，Si10，Ni5），粒度为300～400目。采用HEPJet型高效能超音速等离子喷涂装置制备涂层，喷涂过程中，主气为氩气，次气为氢气，送粉气为氮气，经优化的喷涂工艺参数如表1所示。采用D8型X射线衍射仪对喷涂粉末及涂层进行相结构对比分析，利用Quanta200型扫描电子显微镜观察和分析涂层表面（王水腐蚀）和截面（未腐蚀）微观结构形貌。采用HMV－2型显微硬度仪测试涂层表面以及截面的显微硬度，载荷为1．961kN，加载时间15s，测五点取平均值。采用JEOL－2010型透射电子显微镜观察涂层微观组织。接触疲劳损伤性能的研究采用YS－1型滚动接触疲劳试验机，该实验机主要模拟推力轴承的接触副形式来考察涂层的疲劳寿命，示意图如图1所示。试验机装有载荷传感器，振动传感器，油温检测传感器，声发射传感器。实验机采用11球轴承（GCr15）作为配对摩擦副，在充分油的条件下监测涂层的疲劳损伤过程。加载方式为杠杆加载，通过赫兹公式计算本次实验的最大赫兹接触应力为1．8489GPa。转速受驱动电机控制，采用速度传感器监测，本次实验转速为2500r／min。使用美国物理声学公司（PAC）生产的PCI－2声发射检测系统对涂层接触疲劳损伤过程进行在线监测，信号采样率为2Mps，前置放大器放大额度为40dB，经放大器放大的信号首先经带通滤波（50～500kHz），门槛值设定为40dB。

2实验结果及分析

2．1涂层相结构分析Fe基合金涂层及粉末的XRD衍射图谱如图2所示，可以确定粉末的主要成分是Fe和Cr，主要以体心结构的α（Fe，Cr）相存在，这说明粉末比较纯净，组织均匀、无明显的元素偏析，不存在难熔的高熔点碳化物和硼化物，这就为获得高质量、均匀、致密、纯净的涂层提供了保障。对比涂层及粉末的XRD衍射图谱可知，在该喷涂条件下，基体相为α（Fe，Cr），新析出了高韧性的γ（Fe，Cr）相、高耐磨性的Fe3（Si，B）相、耐磨性和韧性较高Cr7C3理想碳化物相。可以看出2θ＝45°处出现了一个漫散射峰，这是典型的非晶态结构的XRD图谱，说明在等离子喷涂过程中形成了非晶相，这主要是由于熔融的超高温液态粒子高速飞行沉积到低温基体上瞬间快速凝固形成的。由于没有氧化物峰出现，所以粒子在加热熔融、加速飞行、沉积过程中很少被氧化，涂层纯洁度高。

2．2涂层微观组织结构以及显微硬度分析Fe基合金涂层截面微观结构形貌如图3所示。由于等离子焰流温度高、粒子速度快，而且连续沉积的熔融态粒子在凝固时会释放结晶潜热，这将促进喷涂粒子间发生塑性变形和机械互锁，涂层粒子之间成微冶金结合，粒子基本铺展开，涂层比较致密，未熔粒子比较少。层状结构搭接的边缘存在较小尺寸的孔隙，相邻扁平结构之间存在较多的微短裂纹。Fe基合金涂层表面微观组织形貌（经王水腐蚀）如图4所示，基体为塑性和韧性较好的α（Fe，Cr）相，在基体相周围均匀分布着网状亮白碳化物Cr7C3，不存在组织偏析。碳化物硬度较高，可以起到骨架支撑作用，碳化物里面包裹着韧性较好α（Fe，Cr）相，这样外硬内韧的组织可以显著提高涂层的耐磨性和抗接触疲劳性。涂层的显微硬度沿截面的分布如图5所示，涂层硬度在HV0．2＝490～510范围内变化，由于涂层中碳化物分布均匀、弥散，而且存在大量的纳米晶，因此涂层硬度较高。打底层硬度HV0．2＝150～180左右，基体硬度为HV0．2＝350～360范围内变化，基体和打底层的硬度较低，但塑性和韧性好，与较硬工作涂层结合可以对冲击破坏起到缓冲的效果。

2．3接触疲劳损伤性能声发射信号（RMS）可以在线、实时的反馈涂层的接触疲劳损伤程度［10－13］。在转速为2500r／min、最大赫兹接触应力为1．8489GPa的实验条件下，分层是涂层的最终失效形式。该实验过程中采集到的声发射信号如图6所示。开始时RMS值有个较高的越阶，如Ⅰ位置箭头所指，这主要是因为开始阶段接触表面比较粗糙，微凸起发生强烈的塑性变形引起的较强能量释放而产生的声发射。470s以前，RMS曲线比较光滑平稳，维持在0．015V左右，这个阶段主要是裂纹的萌生和稳定存在的阶段，不连续的微短裂纹的萌生会释放相对较弱的能量而产出声发射，如Ⅱ位置箭头所指。470～570s是裂纹的稳定扩展阶段，这个阶段主要是由于裂纹稳定扩展伴随有能量的释放而产生声发射引起的，RMS曲线呈脉冲式突变，但突变RMS值并不高，如Ⅲ位置箭头所指。从550s处的疲劳损伤形貌可以看出，接触区域存在较多的环形、Z形、蠕虫状等裂纹，裂纹主要是在沉积粒子的界面处和孔隙的尖角处萌生。570～630s是裂纹失稳扩展阶段，该阶段裂纹快速扩展连接释放出较强的声发射信号，RMS曲线呈脉冲式突变，RMS值较稳定扩展阶段要大，突变频率也较高，如Ⅳ位置箭头所指。从600s处疲劳损伤形貌可以看出，垂直于滚动方向的裂纹沿表面向纵向45°方向阶梯式的渐进扩展。630～650s为材料的剥落阶段，该阶段RMS值快速增加到0．056～0．073V，如Ⅴ位置箭头所指，这主要是由于材料的大面积断裂和剥落释放大量的能量而产生很强的声发射信号。从640s处疲劳损伤形貌可以看出，材料已经剥落，底部比较平整，边缘成阶梯分布，深度在110μm左右。裂纹的稳定存在阶段大约为450s，占到全部寿命的70％左右，一旦裂纹开始扩展将预示着更加严重的损伤即将产生，因此提高裂纹扩展所需的扩展能抑制裂纹扩展，延长裂纹稳定存在的时间，是改善涂层抗接触疲劳性能，提高疲劳寿命的关键［14］。如图7所示，大量的均匀弥散分布于裂纹和沉积粒子周围的强韧性极高的纳米α（Fe，Cr）相可以吸收裂纹扩展能和界面能，起到“钉扎”裂纹和界面的作用。

3结论

（1）利用超音速等离子喷涂技术在45＃钢基体上制备了Fe基合金涂层，涂层比较致密，在层状结构搭接的边缘存在少量的较小尺寸的孔隙，相邻扁平结构之间存在较多的微短裂纹，这些缺陷的存在都会影响涂层的接触疲劳性能。（2）涂层组织为α（Fe，Cr）基体相上均匀弥散的分布着网状Cr7C3，还有少量的γ（Fe，Cr）相和Fe3（Si，B）相。涂层中还存在大量的纳米级的α（Fe，Cr）相，主要分布于裂纹周围。涂层硬度为HV0．2＝490～510，截面方向具有理想的硬度梯度。（3）使用声发射技术监测了涂层的接触疲劳损伤过程，在转速为2500r／min和应力水平为1．8489GPa实验条件下，分层是涂层失效的最终形式。RMS曲线可以反馈涂层不同阶段的损伤程度。结果表明，疲劳失效主要包括裂纹萌生、裂纹稳定扩展、裂纹失稳扩展、材料的断裂和剥落几个典型的阶段。