摘要
再制造是《中国制造2025》的重要任务之一，特别是面向高附加值的高端产品的再制造，对其进行损伤修复或改造升级，使其质量和性能等不低于新品。而再制造的对象通常是经过长期服役后出现磨损损伤的零部件，这主要包括摩擦磨损与冲蚀磨损，对于高温服役的产品，在磨损过程中还包含了氧化磨损。因此，研究优良的抗磨损修复强化涂层及其制备工艺，并分析其磨损失效机理，对提高零部件的服役性能与寿命具有重要意义。 热喷涂技术在工业上被公认为是一种主流的再制造与表面强化技术，利用其制备的Cr3C2-NiCr涂层常被应用于提高工件的抗冲蚀、耐磨等性能。为了优选制备Cr3C2-NiCr涂层的热喷涂工艺，本研究采用遮蔽等离子喷涂(SPS)和高速氧燃料喷涂(HVOF)的方法制备了Cr3C2-NiCr涂层，通过模拟涡轮叶片小颗粒多角度高速冲蚀环境，对两种涂层进行了冲蚀试验。分析了涂层的显微组织、相组成、显微硬度以及冲蚀磨损性能。结果表明，与SPS涂层相比，HVOF涂层更致密，缺陷更少。HVOF涂层的显微硬度比SPS涂层高约9％，且HVOF涂层具有更好的抗冲蚀性。随着冲击角的增大，两种涂层的冲蚀速率都先快速增加，然后缓慢下降。SPS涂层和HVOF涂层的侵蚀率分别在600和75°的冲击角下达到最大值。两种涂层在低冲击角下的冲蚀磨损均以微切削为主，随着冲击角的增大，冲蚀磨损转化为疲劳断裂剥落。具体而言，在60°冲击角下，可以观察到SPS涂层富含碳化物区域的大裂纹和广泛的疲劳断裂剥落，而HVOF涂层在75°冲击角下显示出微裂纹和最严重的碳化铬颗粒零星剥落。 随着设备性能要求的不断提升，传统的Cr3C2-NiCr金属陶瓷耐磨涂层不能满足零部件日益严苛的服役环境，因此，Cr3C2-NiCr涂层的耐磨性亟待提高。本文研究了通过添加纳米TiC提高Cr3C2-NiCr涂层耐磨性的方法。采用机械球磨法制备了不同纳米TiC比的TiC-Cr3C2-NiCr粉末，并采用高速氧燃料喷涂(HVOF)制备了TiC-Cr3C2-NiCr涂层。系统研究了改性涂层的微观结构和相组成对其摩擦学性能的影响。结果表明，纳米TiC弥散分布在Cr3C2-NiCr涂层的结合料中，对释放应力、填充裂纹、提高耐磨性具有重要作用。在室温下，纳米TiC“钉扎”、纳米级位错和优化相组成的协同效应抑制了Cr3C2颗粒的剥落扩展，提高了涂层的耐磨性。在800℃下，纳米TiC加速氧化膜的形成，提高氧化膜的韧性，促进纳米Cr3C2在粘结剂中的再结晶，提高了涂层的高温耐磨性。 对比研究了Cr3C2-NiCr涂层与改性涂层在常温与高温条件下的抗冲蚀性能。在室温下，四种涂层冲蚀率均呈现出随冲击角度的增大先快速增大后缓慢减小的规律。前三者在75°冲击角附近冲蚀率达到最大值，而12％TIC-Cr3C2-NiCr涂层在60°冲击角附近冲蚀率达到最大值，添加12％TiC涂层表现出更好的抗冲蚀性。纳米TiC的加入强化了粘结相，抑制了裂纹的萌生与扩展，提高了断裂韧性，有利于涂层性能的提高。在高温冲蚀试验下，Cr3C2-NiCr涂层表面的氧化膜出现了断裂剥落，并且在剥落区内部和周边留下裂纹，导致涂层内部的氧化反应加剧，生成脆性氧化物Cr2O3。而纳米TiC会氧化为纳米TiO2分布在Cr2O3膜中，可以起到减少裂纹、封闭孔隙及释放应力的作用，提高涂层氧化膜的致密度与断裂韧性，并增强涂层的抗氧化-冲蚀性能。
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