硬質涂層抗噴砂型沖蝕磨損研究現狀

狀

1. 中國農業機械化科學研究院集團有限公司新材料技術與裝備研究所 ；
2. 哈爾濱工業大學 先進焊接與連接國家重點實驗室

摘要：為減少材料和能源的損耗， 延長零部件使用壽命， 硬質涂層被應用于噴砂型沖蝕磨損環境。本文介紹了噴砂型沖蝕磨損的危害和硬質涂層的應用情況， 綜述了硬質涂層力學性能、 基體材料性能、 粒子特性和噴砂參數等對涂層抗噴砂型沖蝕磨損的影響趨勢， 總結了噴砂型沖蝕磨損的動力學模擬和沖擊試驗的研究情況， 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， 展望了通過數字模擬與試驗驗證相結合的方式獲得各種硬質涂層抗噴砂型沖擊磨損機理模型的前景。

關鍵詞：硬質涂層；噴砂；粒子；沖蝕磨損

引言

      受重載、高速、高溫、腐蝕、磨損、沖擊等苛刻服役環境的影響，高端裝備零部件壽命不足嚴重制約了裝備的穩定性和可靠性，采用硬質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境下，涂層也存在損傷，甚至面臨失效的風險。

        硬質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構，具有較強的抗酸堿腐蝕能力， 能夠較好的抵御外界環境的損害， 但越來越多的應用研究發現，在硬質涂層服役過程中， 特別是在噴砂型沖擊磨損條件下， 硬質涂層不可避免的存在損傷。本文主要從硬質涂層抗噴砂型沖蝕磨損的應用情況、影響硬質涂層抗沖蝕性能的因素、 抗沖蝕機理以及硬質涂層抗噴砂沖蝕的動力學模擬和沖擊試驗等方面進行分析和綜述， 以期為高端裝備零部件表面硬質涂層制造的科研和生產提供參考。

硬質涂層在抗噴砂型沖蝕磨損方面的應用

       所謂噴砂型沖蝕磨損是指工件表面受到氣流攜帶小的、 松散的流動固體粒子的沖擊， 粒子反復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和領域（ 如化工、 石油、 冶金、核電、 火電等行業中用于運輸的管道、 風機葉片等）中是造成關鍵零部件嚴重損壞的重要原因。這些損壞不但造成經濟浪費， 有時甚至會引起巨大的安全事故。在零部件表面采用適當的保護涂層可以減少沖蝕磨損， 有效地保護零部件。針對航空發動機葉片等零部件， 硬質涂層的應用效果較好。TiN 涂層是最早被批準用于發動機壓氣機部件的抗沖蝕磨損涂層， 加拿大 Liburdi 公司在 1992 年將 TiN 抗沖刷涂層應用于直升機 T64 和 T58 發動機壓氣機葉片， 與未涂覆涂層葉片壽命對比， 葉片的壽命提升了 2~3 倍。法國的“ 幻影” 飛機發動機壓氣機葉片表面也鍍有 TiN 涂層， 該涂層葉片經 1600 小時使用后仍沒有破損。隨著多元涂層的發展， 研究學者通過添加 Al、 Cr、 Si、 B、Ta、 Hf、 Y、 Ce 等元素形成三元甚至多元硬質涂層，進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 涂層高數倍。德國亞琛工業大學 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 公司將牌號為 BlackGold的軟 / 硬層交替多層復合涂層應用在壓氣機轉子葉片上， 與單層的氮化物涂層對比， 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 多層結構涂層， 經沖蝕磨損試驗表明， 其抗沖蝕磨損性能較Ti/TiN 多層膜提高了約兩個數量級。據報道，使用硬質涂層后， 發動機壓氣機在沙漠飛行環境的沖蝕磨損率從 80% 降低到 3% 左右。

影響硬質涂層抵抗噴砂型沖蝕磨損的因素

      如果將硬質涂層噴砂型沖蝕看作一個系統，那么在這個系統中主要包含了硬質涂層、 基體材料、 砂粒以及推動砂粒運動的氣流。因處于一個系統中的每個方面之間都會存在相互影響， 因此硬質涂層的性能、 基體材料的性能、 粒子特性和噴砂參數等都會對硬質涂層抵抗噴砂型沖蝕磨損產生影響。

硬質涂層力學性能的影響

     硬質涂層的硬度和斷裂韌性對噴砂型沖蝕磨損的影響較大。硬質涂層多為脆性材料， 當磨料粒子撞擊硬質涂層時在撞擊區域產生塑性變形， 隨著撞擊力的增大， 撞擊區域產生裂紋， 裂紋交錯連接后引發材料的脆性去除。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為硬度對脆性材料的沖蝕磨損影響是相對的， 對韌性較好的硬質涂層的沖蝕磨損困難。因而， 實際的硬質涂層在抵抗沖蝕磨損時， 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系中可以看出， 斷裂韌性對沖蝕磨損的影響高于硬度的影響， 即硬質涂層即使硬度較低， 但如果韌性較高的話， 也較難磨損。再者， 當沖擊角度較低時， 硬質涂層材料會產生粒子犁削。因此， 既韌且硬的硬質涂層材料較難被磨損破壞。

基體材料性能的影響

       硬質涂層依附于基體材料， 基體與涂層之間熱膨脹系數和晶體結構的差異會造成涂層中殘余應力的增加， 繼而影響涂層與基體的結合以及涂層的硬度。此外， 基體的硬度、 彈性模量會對涂層的抗沖蝕磨損性能產生重要影響。但目前關于基體材料對硬質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系。基體的彈性模量與涂層的相當時， 涂層抗沖蝕磨損性能最好， 兩者差別較大時， 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則形狀和丸狀兩種。粒子形狀不同對處理后表面的形貌和光澤產生影響（ 如圖 1 所示） ， 經鋒利邊緣的不規則粒子處理后， 表面較為毛糙， 同時因入射光線被折射， 表面發暗；經丸狀粒子處理后， 表面為球狀面， 入射光線僅部分被折射， 表面呈啞光效果 。如果在相同的參數下進行沖蝕， 鋒利邊緣的不規則粒子的沖蝕磨損量大于丸狀粒子。

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

硬質涂層抗噴砂型沖蝕磨損的動力學模擬和試驗情況

        在對硬質涂層進行噴砂沖蝕模擬研究時， 重點分析粒子沖擊涂層表面的動態過程， 氣流對粒子的加速作用通過賦予粒子初始速度進行簡化。季楚凌對多砂粒連續沖擊內表面帶 SiC 脆性涂層的管件進行動態模擬研究， 當設置砂粒初速度15 m/s、粒徑 100 μm 時， 發現砂粒無論是以 15°的低角度還是 90° 的高角度沖擊均只造成 SiC 涂層的破壞， 未對管件基材產生影響， 同時涂層在低角度時更耐沖擊。張翼飛等通過數值模擬的方式， 建立了球形 A1₂O₃ 顆粒沖擊覆有 TiN/Ti涂層 TC4 基體的二維軸對稱模型，主要通過等效塑性應變 (PEEQ) 這一指標來衡量涂層厚度和層數對 TC4 基體塑性變形的影響情況， 研究結果表明，對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， 對于多層涂層， 隨涂層層數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構的TiN 涂層在單粒子沖擊下涂層表面的應力變化情況， 通過選擇不同的涂層結構和材料參數計算了涂層的應力大小， 結果表明在不同的涂層結構中應力值最大可以相差 3.6 倍， 通過優化結構可改善涂層表面的應力分布， 提高其抗沖磨損性能。Griffin等對 SiC 顆粒沖蝕 Al2O3 陶瓷涂層進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， 并計算出了涂層材料的沖蝕率。王宇飛 運用有限元方法， 對 Ti-6AI-4V 和SiC 陶瓷的沖蝕磨損性能進行了分析， 得出了沖蝕磨損性能隨沖蝕角、 沖蝕速度、 顆粒粒徑的變化規律。

       國內外研究學者針對不同的硬質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比試驗。如 Yang 等使用 50 μm尖角狀 A12O3 對 Ti6Al4V 基體表面 TiAlN 涂層進行沖擊， 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，試驗表明 TiAIN 抗沖擊磨損能力明顯優于 TiN。曹鑫等在 TC4 鈦合金表面制備了 DLC、TiN 涂層，在試驗平臺上考核試樣在 30°、90° 入射角度下的抗沖蝕磨損性能， 砂粒的主要成分是 SiO2，結果表明，在 90° 時 TiN涂層因內應力小于 DLC 涂層，抗疲勞破壞能力強， 抗沖蝕磨損性能優于 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為 TiN< AlTiN /Si3N4 <AlTiN <TiAlN < TiCN。謝文偉等 使用模擬與試驗相結合的方式， 首先通過壓痕斷裂理論，建立硬質合金基體表面涂層的沖擊模型， 磨料顆粒設置為直徑 100 μm 的剛性球體。基體表面涂層分別為 3 μm 的 TiAlN、CrAlN、TiN、CrN，設置速度 60 m/s，垂直沖擊，結果表明失效單元的數目 TiAlN < CrAIN < TiN < CrN， 即 CrN 的抗沖擊去除能力相對最差， 并通過試驗得到了驗證。

結論與展望