NiCoCrAlYTa_Ag_Mo复合自润滑涂层的制备及其高低温循环摩擦学性能.pdf

NiCoCrAlYTa/Ag/Mo 复合自润滑涂层的制备及其高低温循环摩擦学性能郝恩康1,陈杰1,刘光1*,崔烺1,王晓霞1,魏连坤1,安宇龙2（1中国兵器科学研究院宁波分院，浙江宁波315103；2中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室，兰州730000）摘要：为了开发适用于苛刻工况的长寿命、高可靠的自润滑涂层，选择 NiCoCrAlYTa 作为黏结相，Ag 作为润滑相，Mo 作为增强相，采用超音速火焰喷涂（high-velocityoxy-fuelspraying，HVOF）技术在 Inconel718 高温合金基体上制备复合涂层。考察该复合涂层在室温及 800 循环交变条件下的摩擦学行为，研究磨损表面的形貌特征、化学成分、相组成，揭示摩擦过程中元素之间的相互作用以及摩擦表面的物理化学本质，探究其在高低温交变环境下的多循环“自适应”润滑机理。结果表明：复合涂层致密均匀，力学性能良好，主要有-Ni，-NiAl，-Ni3Al，Ag 和Mo 等物相；复合涂层表面生成的-Ag2MoO4类层状润滑剂，可大大改善涂层在高温条件下的摩擦磨损性能；在多循环交变条件下，复合涂层后续循环摩擦因数较首次循环而言有所增大，但在室温条件下的磨损率却有所减小；这是涂层在高温条件下生成的-Ag2MoO4类层状尖晶石润滑相与 Al2O3、MoO3硬质相氧化物在摩擦剪切力的作用下相互影响而导致的。关键词：复合涂层；类层状结构；自适应润滑相；热循环；摩擦磨损doi：10.11868/j.issn.1005-5053.2022.000196中图分类号：TG174.442文献标识码：A文章编号：1005-5053(2023)04-0045-10Preparation of NiCoCrAlYTa/Ag/Mo composite self-lubricant coating and itshigh-low temperature cycling tribological propertiesHAOEnkang1,CHENJie1,LIUGuang1*,CUILang1,WANGXiaoxia1,WEILiankun1,ANYulong2（1.Chinese Weapons Science Academy Ningbo Branch,Ningbo 315103,Zhejiang,China；2.State Key Laboratory of SolidLubrication,LanzhouInstituteofChemicalPhysics,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000,China）Abstract:Inordertodevelopaself-lubricatingcoatingwithlonglifeandhighreliabilitysuitableforharshworkingconditions,thecompositecoatingwithNiCoCrAlYTaasmatrixphase,AgaslubricantphaseandMoasthereinforcingphasewerepreparedbyhigh-velocityoxy-fuelspraying（HVOF）technology.Thehigh-lowtemperaturecyclingtribologicalpropertiesofthecompositecoatingwereinvestigatedat25and800.Themorphologyfeatures,chemicalcompositionandphasestructureofthewornsurfacewerestudiedtorevealtheinteractionbetweendifferentelementsinthefrictionprocessandphysicochemicalnatureoffrictioninterface.Inaddition,themulti-cyclesadaptivelubricationmechanismunderthealternatingenvironmentofhighandlowtemperaturewasexploredaswell.Theresultsshowthatthecompositecoatingisdenseanduniform,andhasbettermechanicalproperties.Thephasesofthecompositecoatingmainlycontain-Ni,-NiAl,-Ni3Al,AgandMo.The-Ag2MoO4layer-likelubricant generated on the surface can greatly improve the friction and wear performance of the composite coating at hightemperature.Undertheconditionofmulti-cycles,thefrictioncoefficientofsubsequentcycleofthecompositecoatingisincreasedcomparedwiththefirstcycle,butthewearrateofthecompositecoatingatroomtemperatureisdecreased.Thisiscausedbytheinteractionbetweenthelubricatingphaseof-Ag2MoO4andthehardphasesofAl2O3andMoO3withtheactionoffrictionalshearforce.2023年第43卷航空材料学报2023，Vol.43第4期第4554页JOURNALOFAERONAUTICALMATERIALSNo.4pp.4554Key words:compositecoating；layer-likestructure；self-adaptivelubricant；thermalcycling；frictionandwearproperties随着现代航天科技与军事装备技术的发展，发动机、空气轴承、涡轮增压器等机械部件的使役温度日益升高，其表面的热防护问题成为制约相关材料应用和使用寿命的关键因素1-3。同时，此类热端运动部件一般都服役于高温、高负载、高速等极端苛刻工况，其摩擦学特性也会直接影响到装备运行的稳定性与可靠性4-5，因此，亟须从“自适应润滑”设计原理和热端运动部件的使役工况特点出发，设计开发具有优异润滑特性的高温防护涂层5-8。近年来，表面再制造技术蓬勃发展，超音速火焰喷涂（high-velocityoxy-fuelspraying，HVOF）作为热喷涂技术中的一种，热源温度适中，喷涂粒子停留时间短，可以有效抑制涂层在沉积过程中的氧化问题，适用于金属基涂层的制备9-13。MCrAlX（M=Ni、Co 或 NiCo；X=Y、Ta、Hf 等）作为第三代热防护涂层，不仅高温力学性能良好，而且具有优异的抗热腐蚀和抗高温氧化能力，所以在航空航天等领域被广泛应用14-17。三元氧化物材料，例如 Ca（Ba、Sr）-S-O，（Ag、Cu）-Ta-O 和 Ag-V（Mo、Nb）-O，由于其结构惰性和化学惰性以及高温下良好的塑性和低剪切性能，被视为高效的高温固体润滑剂18-19。软金属 Ag 剪切强度低、塑性好，可以作为低温润滑剂，而金属Mo 既耐磨又具有润滑特性，二者在高温条件下原位生成类层状结构 Ag2MoO4，可以赋予复合涂层良好的高温润滑特性20-23。MCrAlX/Ag/Mo 复合涂层的设计原理在于，其高温自适应润滑相与石墨、MoS2、h-BN、BaF2CaF2等固体润滑剂相比，具有更好的物理相容性，而且其本身高导热特性有利于摩擦热在接触表面的耗散，从而提高涂层的抗磨损性能24-27。近年来 Ag2MoO4由于优异的高温润滑性能而得到了广泛研究28-30，润滑剂对温度的敏感性是高温润滑涂层必须面对的问题，Ag2MoO4自身优异的润滑特性也具有其适应的温度范围31。不同金属元素及其润滑剂在高温条件下的氧化热力学与动力学反应过程，以及高温条件下涂层内部组织和物相的变化过程，都会影响其高温润滑性能的发挥。为了进一步探究复合涂层以及 Ag2MoO4润滑剂在启动和停车阶段发生的稳定性问题，需要对涂层自适应润滑相的形成对其热循环摩擦学性能的影响进行深入研究。本工作采用 HVOF 喷涂技术在 Inconel718 高温合金基体上制备 NiCoCrAlYTa/10Ag/10Mo 复合自润滑涂层，对涂层的微观结构、相组成、力学性能以及涂层在 25 和 800 多循环高低温交变条件下的摩擦磨损性能进行研究，探究涂层的高温热动力学演变过程和润滑膜的形成机制，阐明其在高低温交变环境下的多循环“自适应”润滑机理和相应磨擦磨损机制。1 实验1.1 复合涂层制备采用商业化的喷涂粉末 NiCoCrAlYTa（Amdry997，OerlikenMetco，USA）作为涂层的黏结相；Mo 粉（Metco63NS，OerlikenMetco，USA）作为增强相，Ag 粉（北京矿冶研究院）作为润滑相。各粉末的相关参数如表 1 所示。将各粉末按照质量比为 NiCoCrAlYTa/10Ag/10Mo 的配比进行机械振荡，充分混合均匀，并在（1202）干燥箱中干燥备用。为了增强涂层和 Inconel718 高温合金基体（30mm25mm7.7mm）之间的结合力，采用 XZ-1212-P 吸入式干喷砂机对基材的工作面进行喷砂粗化处理（Ra1.4m）。采用 DiamondJet2700HVOF 喷涂设备将机械混合的复合粉末沉积在基材表面，喷涂参数列于表 2 中。1.2 摩擦磨损测试使用 AntonPaar 高温摩擦磨损试验机评价表1复合粉末参数Table1ParametersofcompositepowdersCompositepowderChemicalcomponentSize/mPreparationcraftAg99.99%60GasatomizationMo99.5%30-75AgglomeratingandsinteringAmdry997Ni-23Co-20Cr-8.5Al-0.6Y-4Ta5-38Gasatomization46航空材料学报第43卷NiCoCrAlYTa/10Ag/10Mo 复合涂层与 Al2O3对偶球（6mm，2400HV，Ra0.1m）在循环高低温交变条件下的摩擦磨损性能：（1）25 摩擦 200m（No.1）；（2）25 摩擦 200m、800 摩擦 200m（No.2）；（3）25 摩擦 200m、800 摩擦 200m、25 摩擦200m（No.3）；（4）25 摩擦200m、800摩擦 200m、25 摩擦 200m、800 摩擦 200m（No.4）。实验过程如图 1 所示。其相应实验条件如下：摩擦载荷（P）5N；摩擦速度（v）10cm/s；摩擦半径（r）5mm；摩擦距离（S）200m。摩擦因数（）由试验机自动采集并记录，磨损体积（V）由非接触式三维表面轮廓仪 Micro-XAM 测量得到。分别对摩擦过程中 No.1、No.2、No.3、No.4 位置处的 涂 层 的 磨 损 体 积 进 行 测 量。磨 损 率（w，mm3N1m1）通过式（1）计算：w=V/SPT/C80025200No.1No.2No.3No.4400600800D/m图1高低温循环摩擦实验温度与滑移距离示意图Fig.1Schematicdiagramoftemperatureasafunctionofslid-ingdistanceforspecimenduringhigh-lowtemperaturecyclingtribologicaltest1.3 结构表征采用D/Max-2400X-ray 衍射仪（XRD，NifilteredCuKradiation，40kV，150mA，=0.15418nm）对粉末及涂层的物相组成进行表征分析。使用 MH-5-VM 显微硬度计测定复合涂层抛光态表面的显微硬度（加载力3N；保压时间10s），重复测量10 次，取其平均值。采用 S-3400N 扫描电子显微镜（SEM）搭载 EDS 能谱对涂层表截面及其磨痕的微观形貌进行表征。采用X 射线衍射仪和LabRAMHR显微共聚焦拉曼光谱仪对高低温交变摩擦磨损测试前后涂层表面的物相组分进行表征分析。最后，利用 Olympus 光学显微镜对摩擦配副的磨斑进行表征，进一步分析复合涂层摩擦磨损机理。2 结果与讨论2.1 NiCoCrAlYTa/10Ag/10Mo 复合涂层微观结构和物相组成图 2 为 NiCoCrAlYTa/10Ag/10Mo 复合涂层的SEM 形貌和 XRD 图谱。涂层喷涂态表面具有两种典型的微观形貌特征，即紧密堆叠的扁平粒子铺展区和部分熔融飞溅颗粒的聚集区。复合涂层均匀致密，其中的Ag 和Mo 区域性地分布在NiCoCrAlYTa中，且不同组分间结合紧密无明显微观缺陷（图 2（b）和图 2（c）。从截面的 SEM 形貌可以看出（图 2（d），制备的复合涂层厚度约为 300m，复合涂层与 Inconel718 基体的表面结合致密无明显缺陷，同时，添加的 Ag 和 Mo 较为均匀地分布在整个涂层中。复合涂层中主要包含了 Ni、NiAl、Ni3Al、Ag和 Mo 几种物相（图 2（e）。2.2 NiCoCrAlYTa/10Ag/10Mo 复合涂层显微硬度图 3 为 NiCoCrAlYTa/10Ag/10Mo 复合自润滑涂层抛光态表面的显微硬度柱状图。由图 3 可以看出，涂层基质相与添加相分布均匀且结合良好，复合涂层的显微硬度值较为稳定，其 10 次重复测试平均值为（506.324.8）HV300g。该值略小于NiCoCrAlYTa 基质相的显微硬度（659.440.5）HV300g），这是由于软金属 Ag 润滑相的添加而导致的32。2.3 NiCoCrAlYTa/10Ag/10Mo 复合涂层摩擦磨损性能图 4 为 NiCoCrAlYTa/10Ag/10Mo 复合涂层的高低温交变摩擦学性能。图 4（a）为复合涂层的摩擦因数随滑动距离的变化曲线。由图 4（a）可以看出，复合涂层在 25（No.1）过程中与对偶发生相对滑移时，涂层的摩擦因数在 0200m 范围内均呈不断上升趋势，从 0.17 逐渐增加至 0.53。而在800（No.2）高温条件下，涂层的实时摩擦因数则明显降低，且在滑移过程中呈现小幅波动，但均基表2HVOF 喷涂参数Table2ParametersforHVOFsprayingOxygenflow/（m3h1）Naturalgasflow/（m3h1）Airflow/（m3h1）Powderfeedrate/（gmin1）Gunspeed/（mms1）Sprayingdistance/cmSubstratetemperature/19.813.518.72580030150第4期NiCoCrAlYTa/Ag/Mo 复合自润滑涂层的制备及其高低温循环摩擦学性能47本稳定在 0.18 左右。当复合涂层经历高低温循环再次进入室温条件下时（No.3），实时摩擦因数较No.1 条件下的虽更为稳定，但其值明显增大。当摩擦环境温度再次升高至 800（No.4），复合涂层的实时摩擦因数波动明显增大，在 600800m范围内从 0.20 逐渐增大至 0.27。图 4（b）为复合涂层在两次高低温循环过程中的平均摩擦因数和磨损率。从 No.1 到No.4，复合涂层的平均摩擦因数分 别 为 0.460.056、0.180.043、0.650.067 和0.240.025，而其磨损率则分别为（1.880.25）104、（5.00.56）105、（7.970.29）105mm3N1m1和（8.470.35）105mm3N1m1，呈现出先显著降低后缓慢上升的趋势。2.4 NiCoCrAlYTa/10Ag/10Mo 复合涂层微观结构及物相成分演变规律对 NiCoCrAlYTa/10Ag/10Mo 复合涂层经历不同循环摩擦后，其未磨损表面物相组成和微观结构(a)(b)(d)(e)(c)201510500246810024681020CoatingPowder4060801002/()epoxycoatinginterfacesubstrateSplashing particlesMo-rich areaAg-rich areaSplashing particlesMo-rich areaAg-rich areaSplashing particlesSplashing particlesepoxycoatinginterfacesubstrate10 m10 m100 m100 mABAB-Ni-Ni3xAI1y-Ni1xAI1y-Ag-MoMoRegion“A”AgRegion“B”cps/eV20151050cps/eVCCrCrCrONiNiNiAiAgMoCoCoCCrCrCrNiNiNiAiCoCo图2NiCoCrAlYTa/10Ag/10Mo 复合涂层表面 SEM 图像、EDS 及 XRD 谱图（a）喷涂态；（b）抛光态；（c）EDS 谱图；（d）横截面；（e）XRD 谱图Fig.2SEMimages，EDSspectraandXRDpatternsofNiCoCrAlYTa/10Ag/10Mocoating（a）as-sprayedsurface；（b）polished-surface；（c）EDSspectra；（d）cross-section；（e）XRDpattern7006005004003002001000HV300 gS1 S2 S3 S4 S5S7S6S8 S9S10图3复合涂层显微硬度Fig.3Micro-hardnessof NiCoCrAlYTa/10Ag/10Mo com-positecoating0.8(a)No 1No 2No 3No 40.60.40.2Coefficient of frictionDistance/m00.820016012080400(b)0.60.40.2Coefficient of friction00200400600800COFWRNo.1No.2No.3No.4Wear rate/(106 mm3 N1 m1)图4NiCoCrAlYTa/10Ag/10Mo 复合涂层的高低温交变摩擦学性能（a）摩擦因数曲线；（b）平均摩擦因数和磨损率Fig.4High-lowtemperaturecyclingtribologicalperformanceofNiCoCrAlYTa/10Ag/10Mocompositecoating（a）COF-dis-tancecurves;（b）averageCOFandWRvalue48航空材料学报第43卷进行表征分析，探究高低温交变环境对涂层成分及结构的影响。图 5 为经历高低温交变环境后复合涂层表面未磨损区域的形貌图。当复合涂层经历高温过程后，即经历 No.2、No.3 和 No.4 过程后，涂层表面形貌与抛光态复合涂层表面形貌相差较大。其中，经历一次高温过程（No.2 和 No.3）的涂层表面有乳突状结构生成，这是由于高温下元素的扩散及氧化导致的；而其表面其他区域较为平整均匀，无明显缺陷（图 5（a）和图 5（b）。而经历两次高温过程（No.4）的涂层，其表面部分区域乳突状结构开始塌陷，涂层表面出现了少量裂纹和孔隙（图 5（c）。同时，从其区域放大图可以看出，其表面基质相位置处的氧化现象较经历 No.2 和 No.3过程的复合涂层更为明显，生成了更多氧化物颗粒。(a)(b)(c)10 m10 m10 m10 m10 m10 m50 m50 m50 m50 m50 m50 m图5高低温交变环境后 NiCoCrAlYTa/10Ag/10Mo 复合涂层表面未磨损区域的 SEM 形貌图（a）No2；（b）No3；（c）No4Fig.5SEMimagesofnon-wornsurfaceofNiCoCrAlYTa/10Ag/10Mocompositecoatingafterslidingathigh-lowtemperaturealternatingenvironment（a）No2；（b）No3；（c）No4为了进一步研究经历高低温交变过程后复合涂层表面生成的乳突状结构的微观结构及组成，对其表面进行 SEM 和 EDS 分析，结果如图 6 所示。由图 6 可以看出，该乳突状结构由许多大小不一的小颗粒堆积而成。EDS面扫描结果可以看出，该区域 Ag、Mo 和 O 三种元素含量明显高于涂层中的其他区域。这是由于 Ag、Mo 两种元素具有相对高的高温扩散系数，在 800 摩擦时，内部的 Ag、(a)(b-1)(b-2)(b-3)(b-4)(b-6)(b-5)(b-7)(b-8)(b-9)10 m10 m10 m10 m10 m10 m10 m10 m10 m10 m10 m10 m10 m10 m10 m10 m10 m10 m10 m10 mNi K1Co K1Cr K1Al K1Ta L1Y L1Ag L1Mo L1O L1图6NiCoCrAlYTa/10Ag/10Mo 复合涂层在经历 No.2 过程后的未磨损表面（a）SEM 形貌；（b）EDS 面分布图；（1）Ni；（2）Co；（3）Cr；（4）Al；（5）Y；（6）Ta；（7）Ag；（8）Mo；（9）OFig.6Non-wornsurfaceofNiCoCrAlYTa/10Ag/10MocompositecoatingafterNo.2process（a）SEMimage；（b）EDSmap-pings；（1）Ni；（2）Co；（3）Cr；（4）Al；（5）Y；（6）Ta；（7）Ag；（8）Mo；（9）O第4期NiCoCrAlYTa/Ag/Mo 复合自润滑涂层的制备及其高低温循环摩擦学性能49Mo 开始向涂层表面迁移，最终被氧化生成相应的氧化物。同时，该区域内也存在轻微 Cr、Al 和Y 元素的偏析现象，这是由于这些元素本身高的扩散系数以及反应吉布斯自由能导致的。Y 元素及其氧化物可以在界面处起到“钉扎”作用，增加表面氧化膜的黏附力，从而防止由于氧化膜的过早剥落而导致涂层的过度氧化33-34。图 7 给出了经历高低温交变环境后复合涂层表 面 未 磨 损 区 域 表 面 的 XRD 和 拉 曼 谱 图。经历 No.1 过程后，复合涂层表面的物相仍为 Ni、NiAl、Ni3Al，Ag 和 Mo 五种物相。而当复合涂层经历 No.2、No.3 和 No.4 过程中后，其表面非磨痕区域有 NiO、Al2O3、MoO3、AgCrO2、NiMoO4、CoMoO4、Ag2MoO4等混合氧化物生成。这些在高温条件下（800）逐渐形成的氧化物对复合涂层的摩擦性能具有不同的影响。拉曼谱图（图 7（b）显示，No.1 时，复合涂层表面的氧化物主要为 Ag2O 和 NiCr2O4，这是由于喷涂粒子在沉积过程中的轻微氧化造成的。而在经历 No.2No.4过程后，其表面明显有 Ag2MoO4尖晶石相生成。(a)(b)204060801002004006008001000 12002/()Raman shift/cm1No.41-NiCr2O412222332-Ag2MoO43-Ag2ONo.3No.2No.1-Ni,Co-Ni3xAI1y-Ni1xAI1y-Ag-Mo-NiO-NiMoO4-CoMoO4-AgCrO2-MoO3-Ag2MoO4图7NiCoCrAlYTa/10Ag/10Mo 复合涂层经历高低温交变摩擦实验后未磨损表面物相组成（a）XRD 谱图；（b）拉曼谱图Fig.7Chemicalcompositionofnon-wornsurfaceofNiCoCrAlYTa/10Ag/10Mocompositecoatingafterhigh-lowtemperaturealternativefrictionexperiment（a）XRDpattern；（b）Ramanspectra采用 VESTA 软件对复合涂层在高温条件下生成 Ag-Mo-O 三元金属氧化物的晶体结构进行模拟分析，其晶胞结构如图 8 所示。-Ag2MoO4是典型的 AB2O4立方尖晶石结构，具有优异的高温稳定性。-Ag2MoO4的晶胞由 AgO6八面体团簇和MoO4四面体团簇两种基本结构单位相互连接而成，其中 Mo 与 O 原子之间的化学键为共价键，其键长较短，而 Ag 与 O 原子之间的化学键为离子键，键长较长。在外力作用下 AgO 键更易断裂而发生层间滑移。因此，类层状结构的 Ag2MoO4可以在高温摩擦过程中起到良好的润滑作用。此外，适量的 NiO、Al2O3等硬质氧化物的生成，可以起到良好的承载作用，改善涂层的耐磨损性能。2.5 NiCoCrAlYTa/10Ag/10Mo 复合涂层在高低温交变环境下的摩擦磨损机制对复合涂层摩擦后磨痕的 3D 和 2D 形貌进行表征分析，结果如图 9 所示。由图 9 可以看出，在25 时，复合涂层的磨痕均较宽且较深，多呈鞍形形貌，内部有较多平行的犁沟（图 9（a）。这是由于复合涂层的塑性较大，在与 Al2O3对偶球对磨的过程中，产生了较为连续的塑性凹坑，因此形成了明显的鞍形形貌。同时，摩擦过程中形成的硬质磨屑也会在磨痕界面形成许多平行的犁沟。当复合涂层经历 800 高温过程后（No.2No.4），其磨痕虽略有增宽但明显变浅，其未磨损表面出现了毛刺 状 小 凸 起。各 复 合 涂 层 的 磨 痕 宽 度 最 小0.6mm，最大 0.9mm 左右；而其深度在 1020m范围内。这是由于当温度达到 800 时，复合涂层本身逐渐开始软化，从而导致其磨痕变宽；同时，涂层表面不可避免地被氧化成氧化物，导致其未磨损表面生成了许多毛刺状小突起35。图 10 为不同温度下摩擦后复合涂层磨痕的表面 SEM 形貌。室温摩擦后，复合涂层的磨痕中有abcAgTetrahedralOctahedralOMoMoO4 clusterAgO6 cluster图8-Ag2MoO4晶胞结构Fig.8Cellstructureof-Ag2MoO450航空材料学报第43卷明显的犁沟和磨屑，说明复合涂层与陶瓷对偶之间主要发生了磨粒磨损（图 10（a）。在 No.1 过程中，抛光态的复合涂层表面软金属 Ag 作为低温润滑相可以起到一定润滑作用，所以其摩擦因数相对较低，但由于复合涂层硬度相对较低，所以其磨损率较大。当摩擦环境温度升高至 800 后（图 10（b），其磨痕两侧有良好铺展的 Ag2MoO4润滑膜存在，因此该条件下复合涂层的摩擦因数明显降低。然而其磨痕中间位置处的润滑膜存在明显剥落迹象。图 10（c）显示，在 No.3 条件时，涂层磨痕中间位置处磨损较为严重，存在少量犁沟；而边缘位置处存在在高温条件下发生相对滑移时生成的黏附层。这是由于复合涂层表面存在热生长混合氧化物，这些氧化物在室温条件下不能起到有效润(a-1)(a-2)(b)No.4No.3No.2No.1Height variation/mPosition/mm201001020100108088081601025251.21.21.21.41.61.01.01.00.80.80.80.60.60.60.40.40.40.20.20.2000Z/mZ/mY/mmX/mm1.21.41.61.00.80.60.40.20X/mm(a-3)(a-4)20025251.21.21.21.41.61.01.01.00.80.80.80.60.60.60.40.40.40.20.20.2000Z/mZ/mY/mmY/mmY/mmX/mm1.21.41.61.00.80.60.40.2000.20.40.60.81.01.2X/mm图9NiCoCrAlYTa/10Ag/10Mo 复合涂层经历不同循环后磨痕形貌图（a）3D 轮廓；（b）2D 轮廓；（1）No.1；（2）No.2；（3）No.3；（4）No.4Fig.9WornsurfacesofNiCoCrAlYTa/10Ag/10Mocompositecoatingafterdifferentcycles（a）3Dtopographies；（b）2Dtopo-graphies；（1）No.1；（2）No.2；（3）No.3；（4）No.4(a)(b)(c)(d)500 m100 m500 m100 m500 m500 m50 m100 m100 m50 m50 m50 mPloughsPloughsPloughsAdhesion layerExfoliationExfoliationLubricant filmLubricant filmDebrisPloughsPloughsPloughsAdhesion layerExfoliationExfoliationLubricant filmLubricant filmDebris图10NiCoCrAlYTa/10Ag/10Mo 复合涂层经历不同循环后磨痕 SEM 形貌图（a）No.1；（b）No.2；（c）No.3；（d）No.4Fig.10SEMimagesofwornsurfaceofNiCoCrAlYTa/10Ag/10Mocompositecoatingafterdifferentcycles（a）No.1；（b）No.2；（c）No.3；（d）No.4第4期NiCoCrAlYTa/Ag/Mo 复合自润滑涂层的制备及其高低温循环摩擦学性能51滑作用，反而会由于磨粒磨损导致复合涂层的摩擦因数增大，但其硬度较高，耐磨损性优于金属基涂层，因此磨损率相对减小。当摩擦温度再次升高至800 时（No.4），其磨痕形貌与 No.2 的较为相似，即摩擦界面处有 Ag2MoO4润滑膜存在，但局部地区有剥落现象产生。对复合涂层磨痕中的化学组成进行拉曼表征分析，结果如图 11 所示。由图 11 可以看出，其磨痕内部的物相组分和其未磨损表面的非常相似。在 25 摩擦后，复合涂层磨痕内部的主要物相为Ag2O 和 NiCr2O4，可能是由喷涂过程中的轻微氧化或 摩 擦 过 程 中 磨 屑 发 生 氧 化 造 成 的。经 历No.2No.4 摩擦过程后，复合涂层磨痕表面在355、772 cm1及 871 cm1等 位 置 处 出 现 了Ag2MoO4尖晶石的吸收峰，表明在高低温交变环境中原位形成 Ag2MoO4润滑膜，显著改善了高温摩擦学性能。No.2 过程中涂层表面生成的混合氧化物在 No.3（室温条件下）不能起到有效润滑作用，但其硬度较高，耐磨损性优于金属基涂层，因此使复合涂层磨损率相对较低；而在 No.4（800 高温条件）过程中，虽然涂层软化明显，耐磨性降低，但其表面 Ag2MoO4等润滑相可以起到优异润滑作用，故使得复合涂层的磨损率相对减小。图 12 是 Al2O3对偶球与复合涂层在不同高低温交变环境下摩擦后磨损表面的光学形貌。由图 12 可以看出，对偶球表面磨斑和相应涂层表面的磨痕具有高度的一致性。Al2O3对偶球在 No.1摩擦后的磨斑较为规则，无明显塑性变形痕迹。在No.2 摩擦时，对偶球磨斑较小，且表面有转移膜生成。但其中间位置处的转移膜含量较少，这是由于其在摩擦过程中被逐渐刮擦损耗导致的。No.3时，对偶相应磨斑表面存在明显的塑性变形痕迹。这是由于具有较高韧性的复合涂层在与其摩擦副发生相对滑动时，会造成较为剧烈的黏着磨损，从2004006008001000 1200Raman shift/cm1No.41-NiCr2O42-Ag2MoO43-Ag2ONo.3No.2No.11222233图11NiCoCrAlYTa/10Ag/10Mo 复合涂层经历不同循环后磨痕内部 Raman 谱图Fig.11RamanspectraofthewornsurfaceofNiCoCrAlYTa/10Ag/10Mocompositecoatingafterdifferentcycles(a)(b)(c)(d)Sliding directionSliding directionSliding directionSliding directionSliding directionSliding directionSliding directionSliding direction50 m50 m200 m200 m200 m200 m200 m200 m图12与 NiCoCrAlYTa/10Ag/10M 复合涂层经历不同循环摩擦后 Al2O3对偶球的磨斑光学图像（a）No.1；（b）No.2；（c）No.3；（d）No.4Fig.12OpticalimagesofwornsurfacesofAl2O3ballscoupledwithNiCoCrAlYTa/10Ag/10Mcompositecoatingafterdifferentcycles（a）No.1；（b）No.2；（c）No.3；（d）No.452航空材料学报第43卷而导致相应摩擦副表面发生塑性形变。图 12（d）显示，该对偶表面虽也有少量转移膜生成，但大部分区域均已磨耗。这是导致该条件下的摩擦因数较 No.2 条件下的有所升高的主要原因。3 结论（1）采用超音速喷涂技术制备了 NiCoCrAlYTa/10Ag/10Mo 复合自润滑涂层，复合涂层主要由-Ni、-NiAl、-Ni3Al、Ag 和 Mo 等物相组成；各相间结合良好，没有明显的裂纹或孔洞等缺陷产生。（2）涂层力学性能良好，显微硬度约（506.324.8）HV300g。虽然在多循环交变条件下，复合涂层后续循环的摩擦因数较首次循环而言有所增大，但其耐磨损性能明显改善，尤其是第二次循环时，复 合 涂 层 在 室 温 磨 损 率（7.970.29）105mm3N1m1）和 800 磨损率（8.470.35）105mm3N1m1）明显降低。（3）复合涂层的优异减磨耐磨特性与其表面生成的-Ag2MoO4类层状润滑剂和 Al2O3、MoO3硬质相氧化物的耦合作用密切相关。参考文献：姬梅梅，朱时珍，马壮.航空航天用金属表面热防护涂层的研究进展 J.表面技术，2021，50（1）：253-266.JIMM，ZHUSZ，MAZ.AdvancesintheresearchofthermalprotectivecoatingsonaerospacemetalsurfaceJ.SurfaceTechnology，2021，50（1）：253-266.1陈卫杰，宋鹏，高栋，等.航空发动机和工业燃气轮机热喷涂热障涂层用金属黏结层：回顾与展望 J.航空材料学报，2022，42（1）：15-24.CHENWJ，SONGP，GAOD，etal.Metallicbondcoatsforthermally-sprayedthermalbarriercoatingsappliedtoaero-engines and industrial gas turbines：review andprospect J.Journal of Aeronautical Materials，2022，42（1）：15-24.2周亦人，沈自才，齐振一，等.中国航天科技发展对高性能材料的需求 J.材料工程，2021，49（11）：41-50.ZHOUYR，SHENZC，QIZY，etal.Demandforhighperformance materials in development of ChinasaerospacescienceandtechnologyJ.JournalofMateri-alsEng