ialzr合金高温微动磨损性能研究

ialzr合金高温微动磨损性能研究

1tialzr导电涂层的制备微雨磨损是原子能设备服务中不可避免的现象。能量消耗项目中的大部分破坏与微雨破坏有关，如蒸汽装置的加热管和锆污染管[2.7]。对高温微动磨损的研究始于20世纪70年代。然而,由于高温微动的复杂性,人们对高温状态下的微动磨损行为和机理还缺乏足够的了解。钛合金是目前使用材料中比强度最高的材料之一,具有一系列的优异性能。但是,钛合金所固有的一些缺点限制了它的应用,例如对微动磨损非常敏感。TiAlZr合金是一种新型材料。为了提高耐磨及抗微动磨损性能等,对TiAlZr合金进行了热喷涂Ni-Cr合金涂层的表面处理。本文对TiAlZr合金及其热喷涂Ni-Cr合金涂层,进行了不同温度下微动摩损特性的对比研究,以期能够找到高温条件下抗微动磨损性能较好的涂层及工艺。2测试2.1实验材料及试样在高精度TE77高温可控气氛微动磨损试验机(图1)上进行了球-平面接触方式下的微动磨损试验。配副件为Si3N4陶瓷球(ρ3.25g/cm3),直径12mm,硬度HV1500。平面试样为:(1)TiAlZr合金基材,尺寸10mm×10mm×25mm,试件表面用砂纸处理,金刚石研磨膏抛光,用丙酮清洗后备用;(2)TiAlZr合金基材表面经喷砂处理后,热喷涂Ni-Cr合金,涂层厚约300μm。2.2微动试验过程高温微动磨损试验在空气中进行。主要试验参数为:法向载荷Fn为50N;温度为200℃和400℃;位移幅值为100μm;频率为5Hz;循环次数为50000次。温度探测点靠近微动接触表面,为减少微动表面与探测点温度差异,将温度升至设定温度,稳定30min后开始试验。试验结束后,用光学显微镜、激光共焦扫描电镜和扫描电镜进行微动磨痕的组织与形貌特征观察和磨痕深度体积测量。在微动试验过程中,摩擦力随位移、循环次数的变化曲线(微动摩擦特性三维图)由控制系统自动记录。借助于这些随时变化的基本数据,可以进一步得到摩擦系数等一系列有关微动过程的动态变化信息,并作为分析微动摩擦动态特性的重要依据。3高温下ni-cr合金涂层的耐摩擦性对于TiAlZr合金及其热喷涂Ni-Cr合金涂层而言,相同温度条件下,当改变载荷时,根据相应的摩擦特性曲线,可以分为部分滑移区、混合区和滑移区。本文主要对滑移区微动磨损进行研究。当法向载荷Fn=50N、位移D=100μm时,在200℃和400℃条件下,TiAlZr合金及其Ni-Cr合金涂层滑移区微动摩擦特性曲线示于图2。从图2可以看出,TiAlZr合金及其Ni-Cr合金涂层都处于滑移区。在不同温度下,TiAlZr合金与Ni-Cr合金涂层的摩擦系数的比较示于图3。由图3可见,当温度为200℃时,TiAlZr合金稳态时摩擦系数较低(约为0.2～0.4),热喷涂Ni-Cr合金涂层稳态时摩擦系数较高(约为0.6～0.8);在400℃时,热喷涂Ni-Cr合金涂层稳态时摩擦系数大大下降(约为0.3),而TiAlZr合金稳态时摩擦系数升高(约为0.4～0.6)。高温条件下,TiAlZr合金抗微动磨损性能较差。在磨损过程中,钛合金表面的氧化和氧脆使合金表面的氧化磨屑不断剥落;细小的磨屑以片状、颗粒状从基体上剥落,分布在磨痕表面(图4)。在200℃时,TiAlZr合金磨痕心部一层层剥落,每层剥落少量的粒状磨屑。而在400℃时,磨痕中的剥落比较严重,存在大量颗粒状、片状磨屑。显然,当400℃时,磨损加剧。随着温度的上升,TiAlZr合金的抗微动磨损能力下降。这是因为随着温度上升,钛合金表面的氧化和氧脆变得更加严重。热喷涂Ni-Cr合金涂层表面较为粗糙,存在很多孔穴和凸峰,使摩擦系数较高。由于热喷涂层的含氧量较高,易于促进表面氧化膜的生成,氧化膜具有自润滑性。200℃时,氧化膜生成速度较小,摩擦系数较高。400℃时,氧的活性更大,更易于氧化膜的生成,摩擦系数较小。另外,热喷涂Ni-Cr合金涂层具有非常好的高温稳定性,在高温条件下,涂层的硬度不变。XRD分析表明:室温下热喷涂Ni-Cr合金涂层中含有NiO、Cr2O3等氧化物强化相。可以推断,NiO、Cr2O3等氧化物相含量将随温度的升高而增加,弥散分布的氧化物强化相使耐磨性大大提高。因此,热喷涂Ni-Cr合金涂层在高温条件下表现出良好的耐磨性。由SEM可以看出(图4c和图4d),在与对磨球接触的中心部位无磨屑残留,在涂层表面存在细微的划痕,属于磨粒磨损。图5是TiAlZr合金及其热喷涂Ni-Cr合金涂层的磨损体积与温度关系图,可以说明热喷涂Ni-Cr合金涂层在400℃时具有优异的抗微动磨损特性。这从磨痕立体形貌图上也得到证实。表明在高温条件下热喷涂Ni-Cr合金涂层具有较好的抗微动磨损能力。由此可见,当微动处于滑移区时,温度对TiAlZr合金及其热喷涂Ni-Cr合金涂层微动磨损的影响十分显著。4热喷涂ni-cr合金涂层的抗微动磨损性能通过以上分析研究,可以得出以下主要结论:温度对TiAlZr合金及其热喷涂Ni-Cr合金涂层在滑移区的微动影响较大。在滑移区,TiAlZr合金随着温度上升抗微动磨损性能下降;而热喷涂Ni-Cr合金涂层的抗微动磨损性能随温度升高而增加。特别是在400℃