基于高温辅助超声深滚下压量对金属陶瓷涂层组织结构和性能影响

张 峻， 赵运才， 何 扬， 张新宇， 孟 成

(江西理工大学机电工程学院， 江西 赣州 341000)

0 前 言

金属陶瓷涂层是最近几年比较热门的表面改善材料之一，广泛用于航空航天、水利水电、矿山机械、工业汽车和大型舰艇等高科技领域中，主要喷涂于金属材料的表面，从而赋予金属材料表面高硬度、高耐磨性、高耐腐蚀性以及耐高温性，大大延长了金属材料原有的寿命并且可用于极端恶劣的使用环境中[1]。

金属材料失效主要是从表面微裂纹逐渐扩展到材料内部，等离子喷涂金属陶瓷涂层通常用于金属材料表面，提升材料表面疲劳性能。 将WC、Cr3C2、TiC 和TiB2等陶瓷作为硬质相，Ni、Fe、Co 作为软质相，并且金属陶瓷涂层有机结合了陶瓷的高熔点、高硬度、高耐磨性、高耐腐蚀性和合金的高强度、高硬度，大量的研究者认为金属陶瓷涂层在未来有着十分广阔的应用前景[2-4]。 但是，一方面由于陶瓷颗粒大，喷涂金属陶瓷组织孔隙率高、裂纹多，呈粗大的层状结构，故其界面主要为各层之间结合形成的固-固界面、涂层中气孔或者微裂纹边缘固-气界面以及基体与涂层的机械结合界面；另一方面，金属陶瓷涂层中陶瓷颗粒与合金粉末的热膨胀系数和弹性模量相差大，导致涂层内部和基体-涂层结合界面产生高幅值和梯度大的残余应力，这两方面严重影响着涂层的整体性能和使用寿命[5，6]。为了解决这两方面的问题，在金属材料后处理工艺上有了冷深轧[7]、高温深扎[8]、激光冲击[9]、喷丸[10]、超声滚压[11]等方法以使材料发生强烈塑性变形，减少孔隙和裂纹，引入残余压应力提高硬度、疲劳寿命、耐磨性。 超声深滚技术[12]是在超声滚压基础上通过特殊条件在滚珠垂直方面上施加一定的静压力，再对滚珠在垂直方向上施加一定振幅的超声波振动，使材料表面发生强烈的塑性变形，引入高幅值的残余压应力消除涂层内部的孔隙和抑制裂纹的扩展，甚至使裂纹弥合，并且使涂层表面发生加工硬化，从而提高表面硬度与粗糙度，增加其组织性能的方法。 由于金属陶瓷涂层的硬度极高，在单一超声深滚下所需的静压力不容易控制，过小可能达不到预期的效果；过大则可能损坏涂层表面质量甚至使涂层剥落。 贺哲龙等[13]对H13 钢在不同温度下滚压，发现200 ℃温滚压延长了疲劳寿命；Auezhan 等[14]在局部高温加热(LHT)基础上再进行超声纳米晶表面改性(UNSM)，使Ti-6Al-4V 合金表面硬度最大提升了34.3%，表面形成高度加工硬化层，表面粗糙度和摩擦系数减小、LHT+UNSM 在800 ℃产生残余压应力最大。 因此发现通过引入高温辅助能降低材料的强度，在进行滚压能产生更大塑性变形。 同时控制下压量间接的调整静压力的作用效果，能减少瞬时的冲击力保证表面完整性。

故本次实验是引入高温辅助使涂层软化后再立刻进行超声深滚，相对于其他工艺，其优点是通过更小的深滚力减小涂层表面与滚珠之间摩擦力，不仅保障了表面完整性还提高了涂层整体的力学性能。 对于这种涂层耦合后处理技术鲜有报道，本工作探究了高温辅助超声深滚下压量对金属陶瓷涂层组织性能的影响。

1 实 验

1.1 实验材料及处理

使用等离子喷涂对基体进行预处理，基体材料为45 钢，将其加工成圆环状，外圆直径54 mm，内圆直径38 mm，圆环厚度8 mm。 用金相砂纸打磨抛光减小表面粗糙度使其更加平整光洁，再用丙酮清洗去杂质、喷砂粗化，其目的是使涂层与基体的平面接触面积完整均匀，获得优良的摩擦学性能。 等离子喷涂材料为Ni60+15WC 合金粉末，将合金粉末通过JP-8000 型自动喷涂系统在45 钢表面喷涂0.4 mm 厚度左右的涂层，在空气中自然冷却，其化学成分如表1 和表2 所示。

表1 45 钢的化学成分(质量分数) %Table 1 Chemical composition of 45 steel(mass fraction)%

表2 镍基碳化钨合金粉末Ni60+15WC 的化学成分(质量分数) %Table 2 Chemical composition of nickel tungsten carbide powder Ni60+15WC(mass fraction) %

涂层制备结束后，采用感应加热设备Al-518 型人工智能温度控制器及辅助感应加热等模块化系统装置，对等离子喷涂圆环试样分别进行感应加热800 ℃处理，使涂层因为高热量而产生软化。 然后采用C616-10 系列超声滚压强化卧式车床对涂层实施超声滚压表面强化处理，深滚力0.3 MPa、进给量0.15 r/min、主轴转速248 r/min、下压量分别为0.20，0.25，0.30 mm。 取未深滚(NUDR)、高温辅助超声深滚下压量分别为0.20，0.25，0.30 mm 处理(HT+UDR+0.20 mm、HT+UDR+0.25 mm、HT+UDR+0.30 mm)并依次编号。

1.2 测试表征

使用线切割机将各圆环大试样处理为10 mm×9 mm×6 mm 的小试样，用500，800，1 000，1 500，2 000 目砂纸在YM-2A 型金相试样预磨机上依次打磨光滑平整，用0.50 W 和0.25 W 金刚石研磨膏依次在PG-2D型金相抛光机上抛光至镜面效果为止。 在酒精清洗后用质量分数为4%的硝酸酒精腐蚀小试样截面10 s，快速清洗吹干进行装袋进一步观察。

采用扫描电镜(ZEISS ΣIGMA 型)观察金属陶瓷涂层表面形貌以及与基体45 钢结合界面处显微组织形貌；选中扫描区域通过EDS 测定涂层表面以及涂层与基体结合处元素分布情况；使用显微硬度计测试金属陶瓷涂层表面硬度，对于有每个样品选取10 个区域测定并取平均值。 通过X 射线衍射仪(Empyrean 型X 射线衍射仪)对涂层表层进行残余应力测定，扫描角度为20°～100°，步长为0.02°，慢扫提高扫描精度，标准差是基于对每个样本进行的至少5 次测量的平均值。

2 结果与分析

2.1 下压量对微观组织结构的影响

图1 为金属陶瓷涂层的截面SEM 形貌，图1a 为NUDR 处理涂层截面，存在典型的热喷涂的层状结构，组织之间致密度低、涂层表层不平度高伴随凹坑，内部存在大量裂纹并且纵向蔓延随机分布，孔隙率大，大孔洞主要处于涂层的中上部分。 大量未熔银白色WC 颗粒随机分布且存在聚集现象，分布不均匀。 因为等离子喷涂在极短的时间内将陶瓷、合金、金属材料粒子加热到高温，使材料处于熔融、半熔融状态，再喷射撞击到基体表面，通过在空气中快速冷却凝固[15]。 涂层中合金粉末和陶瓷颗粒的热膨胀系数和弹性模量相差很大，使得涂层内部以及涂层与基体结合区产生幅度高和梯度大的残余应力分布，从而造成涂层裂纹和孔隙的产生，并且大部分都发生在热膨胀系数大的WC 陶瓷颗粒周围。 图1b 为HT+UDR+0.20 mm 处理后的截面形貌，可见涂层致密程度变高，层状结构变少，表层不平度降低，孔隙率变化不大，未熔WC 颗粒在涂层中分布均匀且沿着深滚方向拉伸呈水平波浪形。 WC 本身硬度大、脆性大不容易发生塑性变形，但是高温辅助深滚可以使涂层吸收足够的热量软化。 涂层内部吸收大量的热量，原子间距加大，金属键变弱并且出现断裂，硬度和强度下降，塑性和韧性提高，WC 颗粒随着深滚方向拉伸变形细化。 涂层表层凹坑在超声深滚作用下，表层的微峰被挤压，凹坑被微峰流动的材料填满。 表层裂纹也随之消除，涂层内部纵向裂纹在塑性流变作用下弥合或转变为横向裂纹，抑制了裂纹大面积扩展和表层开裂。

图1 金属陶瓷涂层截面形貌Fig. 1 Section morphology of cermet coating

在HT+UDR+0.25 mm 和HT+UDR+0.30 mm 处理下，表层凹坑基本消除，孔隙率也逐渐降低(图1c 和1d)。 在下压量0.25 mm 处理下最显著，表层平整度最高，涂层裂纹和孔隙减少。 因为随着下压量增加，晶粒在高温加热超声深滚作用下发生滑移和位错程度大。涂层变形程度也提升，作用深度更深，晶胞位错滑移率也逐渐变大，导致位错密度变大，并且出现“缠结现象”，在错位墙旁边出现湮灭与重组，形成新的晶界层，使晶粒被细化[16，17]。 但并不是下压量越大越好，在下压量0.30 mm 处理下表层出现开裂现象。 当晶粒细化到材料极限时，单位体积中晶粒数目越多，晶界面积大，防止位错和晶间滑移，即抵抗塑性变形的能力变强。 但过大的下压量会破坏内部应力平衡，超出了涂层的塑性变形范围，导致涂层晶粒破碎和脱落，表层产生较大裂纹。

前人已经研究表明表面超声滚压并不能发生元素扩散，也不能产生新的相[18]。 但高温处理可以加速元素的扩散以及新的相产生，图2 为金属陶瓷涂层截面线扫描元素过渡图。 如图2 所示在NUDR 涂层与基体结合界面的Fe 与Ni 元素分布图是跳跃性增加后再保持稳定波动，涂层与基体结合强度弱，主要为传统的机械结合；在高温不同下压量下元素扩散现象相似，故这里取HT+UDR+0.25 mm 后分析，涂层与基体结合界面Fe 与Ni 元素分布图出现过渡性递增再增加后保持稳定波动，这是典型的元素扩散现象，基体中Fe 元素向涂层迁移，涂层中Ni 元素向基体迁移，涂层与基体结合强度提升，由传统的机械结合转变为化学键结合，即冶金结合。 单一的超声深滚工艺是通过加工硬化和晶粒细化并引入残余压应力改变材料的力学性能，但通过高温辅助加上超声深滚过程中滚珠与涂层表面接触产生的热量使涂层与基体结合界面起到热处理的作用，促进了结合界面处元素扩散，进一步提高了涂层与基体的结合强度。

图2 金属陶瓷涂层截面线扫描元素过渡图Fig. 2 Line scan element transition diagram of Cermet coating cross section

2.2 下压量对显微硬度的影响

NUDR、HT+UDR+0.20 mm、HT+UDR+0.25 mm、HT+UDR+0.30 mm 涂层的表面硬度分别为430.9，570.4，650.2，690.1 HV，如图3 所示，未超声深滚涂层硬度最低，高温超声深滚较未超声深滚显微硬度提高了，HT+UDR+0.25 mm 相对于NUDR 提升了60.2%。 这主要是因为在高温下涂层软化，抵抗塑性变形能力变弱导致深滚力作用效果增强，表面晶粒细化程度更高。

图3 不同下压量的显微硬度Fig. 3 Microhardness of different press amounts

根据Hall-Petch 关系公式[19]:

式中:Hv为显微硬度，H0为压入显微硬度，K为材料系数，d为晶粒平均直径。

当晶粒发生细化时晶粒之间会滑移和位错，由于滑移和位错晶粒取向随机，在晶界附近大量导致塞积，位错密度增加导致硬度增大[20]。 在高温辅助超声深滚不同下压量处理，涂层硬度不断增大，最高提升了18%，但是在0.25 mm 和0.30 mm 下压量之间硬度改善程度变小，说明涂层表层硬化层抵抗塑性变形，晶粒细化被抑制。 塑性变形最开始在表面再不断延伸到涂层内部，随涂层深度下降，一方面是因为冲击能量随之涂层深度不断衰弱，晶粒细化不断降低；另一方面是因为塑性变形使涂层在表层产生硬化层，阻止位错和滑移，抵抗塑性变形的能力变强，因此硬度提升程度变缓。

2.3 下压量对残余应力的影响

衍射峰发生了半宽高度宽化和衍射峰向小角度衍射峰偏移现象，说明晶粒尺寸变小并且晶界间距变大，在深滚力的作用下晶粒发生晶格畸变，位错密度增加。 峰值向较低的角度移动，表明存在微应变引起的残余压应力。

图4 不同下压量试样的XRD 谱和局部主峰与半宽高的关系Fig. 4 XRD pattern of samples under different press amounts and the relation between the local main peak and FWHM

根据Bragg 方程[21]和Scherrer 公式[22]:

式中:d为晶面间距，θ1为入射线、反射线与反射晶面之间的夹角，λ1为波长，n为反射级数；K为Scherrer 常数，B为实测样品衍射峰半宽高度，D为晶粒垂直于晶面方向的平均厚度，θ2为Bragg 衍射角，λ2为X 射线波长。

在涂层表面进行HT+UDR 可以引入高幅值的残余应力，延长材料的疲劳寿命，抑制表层裂纹的萌发和扩展。 图5 所示为NUDR、HT+UDR+0.20 mm、HT+UDR+0.25 mm、HT+UDR+0.30 mm 涂层表面残余压应力，其值分别是165.5，-290.9，-337.9，-308.6 MPa，NUDR 表面残余应力为拉应力，在经过高温超声深滚之后转变为残余压应力。

图5 不同处理下金属陶瓷涂层表面残余应力Fig. 5 Surface residual stress of cermet coating under different treatments

虽然高温使涂层内部发生应力松弛，残余压应力出现恢复，晶粒长大的阻力变小，晶面间距变大，但滚珠动态冲击作用与涂层表面频率高，材料已经产生弹性变形不能及时完全恢复，并且随之连续的动态冲击逐渐积累，最终汇聚在一起形成材料内部的动应力波。高温处理下金属材料具有较好的塑性，有利于振荡应力波的快速形成和使传播深度更深。 另外在相同高温加热不同下压量处理下，在更高下压量的处理下衍射峰半宽高度变宽和左偏移更加明显，说明在更大下压量条件下超声深滚作用更加明显，塑性变形程度更大，晶粒细化程度更高，在涂层内部产生了更大的残余压应力。 HT+UDR+0.30 mm 处理涂层表面衍射峰出现往右偏移现象且残余压应力降低，这是因为下压量存在极限值。 随着下压量的增加，表面动态再结晶行为加剧，会使位错密度下降，导致残余应力释放，对材料表面造成很大的危害[23]。 在辅助加热基础上使残余应力发生松弛，但同时也提高了涂层整体塑性变形的程度，在0.25 mm 下压量处理下涂层半宽高度最宽，小角度偏移最大，晶粒细化最小，残余压应力最大。

3 结 论

(1)HT+UDR+0.25 mm 处理后金属陶瓷涂层整体孔隙减少。 裂纹在材料塑性流变中弥合或由纵向转变为横向，抑制了涂层纵向扩展导致的涂层失效。 WC 颗粒随着深滚方向拉伸变形细化，在涂层与基体结合界面Fe 与Ni 发生元素扩散，涂层与基体结合方式由机械结合转变为冶金结合，高温超声深滚后涂层与基体结合强度得到提升。

(2)在高温辅助超声深滚作用下，随着下压量的增加，涂层显微硬度不断提高，下压量到达0.25 mm 后硬度提升程度变缓。

(3)在高温辅助超声深滚下晶粒细化程度高，获得的残余压应力更大。 但过大的塑性变形并没有获得更好的组织性能，HT+UDR+0.30 mm 处理涂层表面动态再结晶行为加剧，会使位错密度下降，导致残余应力释放，对材料表面造成很大的危害。 而HT+UDR+0.25 mm 处理涂层维持应力平衡，残余压应力最大。