硬質(zhì)涂層抗噴砂型沖蝕磨損研究現(xiàn)狀

狀

1. 中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司新材料技術(shù)與裝備研究所 ；
2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

摘要：為減少材料和能源的損耗， 延長零部件使用壽命， 硬質(zhì)涂層被應(yīng)用于噴砂型沖蝕磨損環(huán)境。本文介紹了噴砂型沖蝕磨損的危害和硬質(zhì)涂層的應(yīng)用情況， 綜述了硬質(zhì)涂層力學(xué)性能、 基體材料性能、 粒子特性和噴砂參數(shù)等對(duì)涂層抗噴砂型沖蝕磨損的影響趨勢， 總結(jié)了噴砂型沖蝕磨損的動(dòng)力學(xué)模擬和沖擊試驗(yàn)的研究情況， 指出了涂層硬度和韌性以及基體與涂層性能的匹配有助于提高涂層抗噴砂型沖蝕磨損， 展望了通過數(shù)字模擬與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式獲得各種硬質(zhì)涂層抗噴砂型沖擊磨損機(jī)理模型的前景。

關(guān)鍵詞：硬質(zhì)涂層；噴砂；粒子；沖蝕磨損

引言

      受重載、高速、高溫、腐蝕、磨損、沖擊等苛刻服役環(huán)境的影響，高端裝備零部件壽命不足嚴(yán)重制約了裝備的穩(wěn)定性和可靠性，采用硬質(zhì)涂層涂覆能一定程度上延長零部件的服役壽命，但在長期使用過程中，特別是在噴砂型沖蝕磨損環(huán)境下，涂層也存在損傷，甚至面臨失效的風(fēng)險(xiǎn)。

        硬質(zhì)涂層雖然具有硬度高、 抗磨損、 耐高溫等特性， 而且涂層中通常含有陶瓷類組分結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的抗酸堿腐蝕能力， 能夠較好的抵御外界環(huán)境的損害， 但越來越多的應(yīng)用研究發(fā)現(xiàn)，在硬質(zhì)涂層服役過程中， 特別是在噴砂型沖擊磨損條件下， 硬質(zhì)涂層不可避免的存在損傷。本文主要從硬質(zhì)涂層抗噴砂型沖蝕磨損的應(yīng)用情況、影響硬質(zhì)涂層抗沖蝕性能的因素、 抗沖蝕機(jī)理以及硬質(zhì)涂層抗噴砂沖蝕的動(dòng)力學(xué)模擬和沖擊試驗(yàn)等方面進(jìn)行分析和綜述， 以期為高端裝備零部件表面硬質(zhì)涂層制造的科研和生產(chǎn)提供參考。

硬質(zhì)涂層在抗噴砂型沖蝕磨損方面的應(yīng)用

       所謂噴砂型沖蝕磨損是指工件表面受到氣流攜帶小的、 松散的流動(dòng)固體粒子的沖擊， 粒子反復(fù)沖擊使得材料從表面逐漸被去除。噴砂型沖蝕磨損在許多行業(yè)和領(lǐng)域（ 如化工、 石油、 冶金、核電、 火電等行業(yè)中用于運(yùn)輸?shù)墓艿馈?風(fēng)機(jī)葉片等）中是造成關(guān)鍵零部件嚴(yán)重?fù)p壞的重要原因。這些損壞不但造成經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)， 有時(shí)甚至?xí)鹁薮蟮陌踩鹿省Ｔ诹悴考砻娌捎眠m當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)涂層可以減少?zèng)_蝕磨損， 有效地保護(hù)零部件。針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等零部件， 硬質(zhì)涂層的應(yīng)用效果較好。TiN 涂層是最早被批準(zhǔn)用于發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)部件的抗沖蝕磨損涂層， 加拿大 Liburdi 公司在 1992 年將 TiN 抗沖刷涂層應(yīng)用于直升機(jī) T64 和 T58 發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片， 與未涂覆涂層葉片壽命對(duì)比， 葉片的壽命提升了 2~3 倍。法國的“ 幻影” 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片表面也鍍有 TiN 涂層， 該涂層葉片經(jīng) 1600 小時(shí)使用后仍沒有破損。隨著多元涂層的發(fā)展， 研究學(xué)者通過添加 Al、 Cr、 Si、 B、Ta、 Hf、 Y、 Ce 等元素形成三元甚至多元硬質(zhì)涂層，進(jìn)一步改善了涂層的抗沖蝕磨損性能。如 TiAlN涂層的抗沖蝕磨損性能比 TiN 涂層高數(shù)倍。德國亞琛工業(yè)大學(xué) Tobias Br?gelmann 在葉片表面制備的 TiAlSiN， 葉片的抗沖蝕磨損性能大幅提高。MDS-PRAD、 GE 公司將牌號(hào)為 BlackGold的軟 / 硬層交替多層復(fù)合涂層應(yīng)用在壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片上， 與單層的氮化物涂層對(duì)比， 其斷裂韌性和抗沖擊性能得到顯著的提升。此外， 采用 W及 W 合金等作為中間層的新型 TiB2 多層結(jié)構(gòu)涂層， 經(jīng)沖蝕磨損試驗(yàn)表明， 其抗沖蝕磨損性能較Ti/TiN 多層膜提高了約兩個(gè)數(shù)量級(jí)。據(jù)報(bào)道，使用硬質(zhì)涂層后， 發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)在沙漠飛行環(huán)境的沖蝕磨損率從 80% 降低到 3% 左右。

影響硬質(zhì)涂層抵抗噴砂型沖蝕磨損的因素

      如果將硬質(zhì)涂層噴砂型沖蝕看作一個(gè)系統(tǒng)，那么在這個(gè)系統(tǒng)中主要包含了硬質(zhì)涂層、 基體材料、 砂粒以及推動(dòng)砂粒運(yùn)動(dòng)的氣流。因處于一個(gè)系統(tǒng)中的每個(gè)方面之間都會(huì)存在相互影響， 因此硬質(zhì)涂層的性能、 基體材料的性能、 粒子特性和噴砂參數(shù)等都會(huì)對(duì)硬質(zhì)涂層抵抗噴砂型沖蝕磨損產(chǎn)生影響。

硬質(zhì)涂層力學(xué)性能的影響

     硬質(zhì)涂層的硬度和斷裂韌性對(duì)噴砂型沖蝕磨損的影響較大。硬質(zhì)涂層多為脆性材料， 當(dāng)磨料粒子撞擊硬質(zhì)涂層時(shí)在撞擊區(qū)域產(chǎn)生塑性變形， 隨著撞擊力的增大， 撞擊區(qū)域產(chǎn)生裂紋， 裂紋交錯(cuò)連接后引發(fā)材料的脆性去除。由 Evans 等人提出的彈塑性壓痕破裂理論可以看出， 隨著硬質(zhì)涂層材料硬度的增大， 涂層的沖蝕磨損減小，但也有不少研究者認(rèn)為硬度對(duì)脆性材料的沖蝕磨損影響是相對(duì)的， 對(duì)韌性較好的硬質(zhì)涂層的沖蝕磨損困難。因而， 實(shí)際的硬質(zhì)涂層在抵抗沖蝕磨損時(shí)， 除硬度的影響外， 還需要考慮韌性的影響。從彈塑性壓痕理論的關(guān)系中可以看出， 斷裂韌性對(duì)沖蝕磨損的影響高于硬度的影響， 即硬質(zhì)涂層即使硬度較低， 但如果韌性較高的話， 也較難磨損。再者， 當(dāng)沖擊角度較低時(shí)， 硬質(zhì)涂層材料會(huì)產(chǎn)生粒子犁削。因此， 既韌且硬的硬質(zhì)涂層材料較難被磨損破壞。

基體材料性能的影響

       硬質(zhì)涂層依附于基體材料， 基體與涂層之間熱膨脹系數(shù)和晶體結(jié)構(gòu)的差異會(huì)造成涂層中殘余應(yīng)力的增加， 繼而影響涂層與基體的結(jié)合以及涂層的硬度。此外， 基體的硬度、 彈性模量會(huì)對(duì)涂層的抗沖蝕磨損性能產(chǎn)生重要影響。但目前關(guān)于基體材料對(duì)硬質(zhì)涂層抗沖蝕磨損性能的影響存在的較大的分歧。鄒雪倩的研究表明高硬度的基體材料表面涂層的沖蝕磨損率低于低硬度的基體材料；吳鳳芳 研究表明， 同種涂層的沖蝕磨損率并不隨基體硬度的增加而增加， 也不隨基體硬度的減小而降低， 即基體的硬度與涂層的沖蝕磨損率之間沒有簡單而明顯的定量關(guān)系?；w的彈性模量與涂層的相當(dāng)時(shí)， 涂層抗沖蝕磨損性能最好， 兩者差別較大時(shí)， 涂層的抗沖蝕磨損性能較差。

粒子特性的影響

       粒子特性主要包括粒子形狀、 硬度和粒度等。粒子的形狀一般有鋒利邊緣的不規(guī)則形狀和丸狀兩種。粒子形狀不同對(duì)處理后表面的形貌和光澤產(chǎn)生影響（ 如圖 1 所示） ， 經(jīng)鋒利邊緣的不規(guī)則粒子處理后， 表面較為毛糙， 同時(shí)因入射光線被折射， 表面發(fā)暗；經(jīng)丸狀粒子處理后， 表面為球狀面， 入射光線僅部分被折射， 表面呈啞光效果 。如果在相同的參數(shù)下進(jìn)行沖蝕， 鋒利邊緣的不規(guī)則粒子的沖蝕磨損量大于丸狀粒子。

                     圖 1 噴砂粒子的形狀對(duì)工件表面形貌的影響：(a) 噴砂處理前；(b) 鋒利邊緣的不規(guī)則粒子處理后；(c) 丸狀粒子處理后

硬質(zhì)涂層抗噴砂型沖蝕磨損的動(dòng)力學(xué)模擬和試驗(yàn)情況

        在對(duì)硬質(zhì)涂層進(jìn)行噴砂沖蝕模擬研究時(shí)， 重點(diǎn)分析粒子沖擊涂層表面的動(dòng)態(tài)過程， 氣流對(duì)粒子的加速作用通過賦予粒子初始速度進(jìn)行簡化。季楚凌對(duì)多砂粒連續(xù)沖擊內(nèi)表面帶 SiC 脆性涂層的管件進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬研究， 當(dāng)設(shè)置砂粒初速度15 m/s、粒徑 100 μm 時(shí)， 發(fā)現(xiàn)砂粒無論是以 15°的低角度還是 90° 的高角度沖擊均只造成 SiC 涂層的破壞， 未對(duì)管件基材產(chǎn)生影響， 同時(shí)涂層在低角度時(shí)更耐沖擊。張翼飛等通過數(shù)值模擬的方式， 建立了球形 A1₂O₃ 顆粒沖擊覆有 TiN/Ti涂層 TC4 基體的二維軸對(duì)稱模型，主要通過等效塑性應(yīng)變 (PEEQ) 這一指標(biāo)來衡量涂層厚度和層數(shù)對(duì) TC4 基體塑性變形的影響情況， 研究結(jié)果表明，對(duì)于單層涂層厚度超過 12 μm 后， 涂層厚度增加基體的塑性變形減小， 對(duì)于多層涂層， 隨涂層層數(shù)增加基體的塑性變形減小。Bielawski等利用 ABAQUS 有限元軟件研究了多種不同結(jié)構(gòu)的TiN 涂層在單粒子沖擊下涂層表面的應(yīng)力變化情況， 通過選擇不同的涂層結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)計(jì)算了涂層的應(yīng)力大小， 結(jié)果表明在不同的涂層結(jié)構(gòu)中應(yīng)力值最大可以相差 3.6 倍， 通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)可改善涂層表面的應(yīng)力分布， 提高其抗沖磨損性能。Griffin等對(duì) SiC 顆粒沖蝕 Al2O3 陶瓷涂層進(jìn)行仿真并建立了模型， 直觀的觀察到了涂層表面沖蝕坑的深度和形貌， 并計(jì)算出了涂層材料的沖蝕率。王宇飛 運(yùn)用有限元方法， 對(duì) Ti-6AI-4V 和SiC 陶瓷的沖蝕磨損性能進(jìn)行了分析， 得出了沖蝕磨損性能隨沖蝕角、 沖蝕速度、 顆粒粒徑的變化規(guī)律。

       國內(nèi)外研究學(xué)者針對(duì)不同的硬質(zhì)涂層開展了不同尺寸砂粒粒子、 在不同沖擊角度等條件下的抗沖蝕磨損對(duì)比試驗(yàn)。如 Yang 等使用 50 μm尖角狀 A12O3 對(duì) Ti6Al4V 基體表面 TiAlN 涂層進(jìn)行沖擊， 沖擊粒子的速度為 60 或 84 m/s，粒子的平均流量為1~2 g/min，試驗(yàn)表明 TiAIN 抗沖擊磨損能力明顯優(yōu)于 TiN。曹鑫等在 TC4 鈦合金表面制備了 DLC、TiN 涂層，在試驗(yàn)平臺(tái)上考核試樣在 30°、90° 入射角度下的抗沖蝕磨損性能， 砂粒的主要成分是 SiO2，結(jié)果表明，在 90° 時(shí) TiN涂層因內(nèi)應(yīng)力小于 DLC 涂層，抗疲勞破壞能力強(qiáng)， 抗沖蝕磨損性能優(yōu)于 DLC 涂層。Dobrzafiski等 在黃銅表面制備 100 nm 厚 Ti 過渡層， 然后分別制備單層 TiN、CrN、ZrN、TiAlN 及其多層涂層， 使用以 A12O3 為主、平均尺寸 70 μm 的顆粒， 垂直沖擊涂層，結(jié)果表明：單層涂層 Ti/TiN、 Ti/CrN、 Ti/ZrN、Ti/TiAlN 的抗沖擊去除性能好。Antonv 等采用直徑 0.1mm 的 SiO2 顆粒在 30° 角度下沖擊單層 TiN、單層 TiCN、多層TiAlN、梯度 AlTiN 和納米 AlTiN/Si3N4 超硬涂層，各涂層沖蝕磨損率按從小到大排序?yàn)?TiN< AlTiN /Si3N4 <AlTiN <TiAlN < TiCN。謝文偉等 使用模擬與試驗(yàn)相結(jié)合的方式， 首先通過壓痕斷裂理論，建立硬質(zhì)合金基體表面涂層的沖擊模型， 磨料顆粒設(shè)置為直徑 100 μm 的剛性球體?；w表面涂層分別為 3 μm 的 TiAlN、CrAlN、TiN、CrN，設(shè)置速度 60 m/s，垂直沖擊，結(jié)果表明失效單元的數(shù)目 TiAlN < CrAIN < TiN < CrN， 即 CrN 的抗沖擊去除能力相對(duì)最差， 并通過試驗(yàn)得到了驗(yàn)證。

結(jié)論與展望