Page 89 - 摩擦学学报2025年第9期

第 9 期 魏逸阳, 等: 大气等离子喷涂Al 2 O 3 -石墨涂层及其摩擦学性能研究 1343

属对偶之间的摩擦系数是摩擦学研究者的追求目标. AlO(OH)/C粉末经喷涂后沉积为物相分布十分均匀的
氧化铝陶瓷涂层较差的润滑性使其在室温干摩 Al O /C复合涂层. 表征了由此制得的复合涂层的微观
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擦时的摩擦系数比较高，对摩擦对偶(尤其是金属)的 结构，研究了该复合涂层在不同载荷下的摩擦学性能
损伤严重，即“涂层耐磨但不减摩”. 目前，针对热喷涂 并分析了其磨损机理.
氧化铝陶瓷涂层在摩擦过程中使其在摩擦界面表面
可以形成低剪切强度润滑膜的技术，主要是在喷涂粉 1 试验部分：

末中复配一些固体润滑剂，如石墨、MoS 、BaF /CaF 2 1.1 涂层的制备
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共晶、h-BN和一些低剪切强度金属(Ag和Cu等). 从研 喷涂陶瓷复合涂层采用的喷涂粉末为由水铝
究结果来看，多数研究都是润滑粉末复配继而制备氧 石[AlO(OH)]和C经过羟基化处理和物理搅拌后并喷
化铝复合涂层，重点对涂层的润滑性进行了详细研究. 如 雾造粒制得的颗粒大小为15~45 µm左右的团聚粉体；
[9]
在氧化铝原料粉末中分别添加不同含量的石墨 ，氧化 Al O 喷涂粉末质量分数>99.9 %，粒径分布为22~53 µm.
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铝涂层与摩擦对偶间的摩擦系数可从0.65降至0.60，
Al O /C复合涂层和Al O 涂层被分别制备在20 mm×
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但磨损率却从8.51×10 上升至1.66×10 mm /(N·m).
12 mm×12 mm的316L不锈钢基体上.
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Mathew等 研究了喷涂功率对10% (质量分数)氧化 在制备涂层前，使用GS-943喷砂机(北京长空喷
铝-石墨复合涂层摩擦学的影响，在高的喷涂功率 砂设备有限公司)对316L不锈钢喷涂表面进行喷砂处
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下(42.2 kW)，涂层的磨损率最低[2.41×10 mm /(N·m)]， 理，确保涂层和基材之间具有更好的结合力；然后将
摩擦系数为0.468，但在滑动过程中出现了涂层磨损加 喷砂处理过的基材放入丙酮中超声清洗，除去基材表
速甚至失效的现象. 也有人证明，随着涂层中石墨含 面的杂质. 涂层制备先在316L不锈钢上沉积1层厚度约
量的增加，摩擦界面处转移膜的形成更有效，磨损轨
为 100 µm的 Ni-24.5Cr-6Al-0.4Y (Amdry 962, Sulzer
[9]
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迹更窄且磨损率逐渐降低 . Zhao等 为了避免石墨在 Metco)金属粘结层以减少基体与陶瓷涂层之间的残
喷涂过程中被氧化，采用了镍包石墨的方式将石墨加
余热应力；最后，采用大气等离子设备(APS，F4喷枪，
入到3Al O -2SiO 粉末中，结果表明，随着镍包石墨含 Oerlikon Metco，Switzerland)和机械臂(IRB 2400/16，
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量的增加，涂层孔隙率逐渐减小，硬度降低，当复合涂
ABB，Sweden)制备2种陶瓷涂层，陶瓷涂层厚度约为
层中镍包石墨的含量为20% (质量分数)时，涂层的摩
300 µm. 喷涂时，氩气作为主气，氢气作为次气，具体
擦系数和磨损率达到最低. 另外，已有研究表明，通过
的喷涂参数列于表1中.
在氧化铝粉末中机械混合石墨、MoS 或镍包石墨等
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润滑相来改善氧化铝涂层的摩擦学性能 [5,8-13] ，然而， 表 1 大气等离子喷涂制备涂层参数
石墨和MoS 在等离子喷涂过程中容易被高温氧化， Table 1 Plasma spray parameters of coatings
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同时，外来相的引入将不可避免地导致涂层物相分布 Parameters Bond coatings Top coatings
Electric arc current/A 600 600
不均以及微观结构疏松，致使所制备的各类氧化铝复
Voltage/V 72 70
[11]
合涂层的摩擦学性能表现不稳定 . 因此，如何在氧 Power/kW 42.5 43
化铝喷涂粉末中直接引入具有润滑特性的石墨，而且 Primary gas (Ar) flow rate/(L/min) 57 50
Secondary gas (H 2 ) flow rate/(L/min) 8 9
使得石墨和氧化铝之间不但可以具有更强的化学键
Stand-off distance/mm 90 90
结合，同时还能使得石墨和氧化铝能够相互分布均 Spray angle/(°) 90 90
匀，从而获得可以直接喷涂的球形粉末，并且通过等
离子焰流的高能获得具有一定自润滑特性Al O /C复 1.2 粉末及涂层的表征
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合涂层是十分有意义的研究工作. 扫描电子显微镜(SEM，JSM-5600LV，Japan)和能
基于此，本文中采用大气等离子喷涂技术，通过 谱仪(EDS)分别对AlO(OH)/C和Al O 粉末形貌及其制
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调整喷涂参数，使用水铝石[AlO(OH)]和石墨(C)作为 备涂层的微观结构和磨损表面形貌进行了观察，并基
原料，通过一系列的工艺制备过程，最终利用喷雾造 于截面形貌使用Image-Pro软件分析了涂层的孔隙率；
粒技术制备出AlO(OH)/C球形喷涂粉末，继而，在大 用X射线衍射仪(XRD，Smartlab-SE，Rigaku Corpora-
气等离子喷涂过程中，由于AlO(OH)在高温等离子 tion，Japan)在2θ为5°~90°范围内测试了喷涂粉末及其
焰流中会经脱水发生相变，最终转变为氧化铝，使得 涂层的相组成；用奥林巴斯显微镜观察了摩擦后