铝合金机匣抗微动磨损涂层材料及其制备工艺研究进展*

史周琨，徐丽萍，张吉阜 ，胡永俊，邓春明，宋进兵，刘 敏

1.广东工业大学 材料与能源学院，广东 广州 510006；2.广东省科学院新材料研究所，现代表面工程技术国家工程实验室，广东省现代表面工程技术重点实验室，广东 广州 510651

机匣是航空发动机中的重要组成零件之一，作为航空发动机的基座起到承力、支撑的作用．机匣的外形普遍呈圆筒形或圆锥形，是一类由壳体和支板组成的构件[1-2]．图1为航空发动机外形和机匣外形．目前，发动机机匣主要应用的材料是铝合金、镁合金和钛合金等．铝合金材料资源丰富、价格便宜，并且有密度低、重量轻、耐腐性好、抗疲劳性较高及加工性能良好等优点，因此在航空航天等重要工程领域中，面对钛合金和复合材料的挑战时，保有不可取代的地位[3]．

在航空发动机的服役过程中，机匣连接发动机的各个部件，内部要与涡轮燃烧室连接，外部与排气装置、冷却装置、油管等部件连接，机匣要承受质量惯性力、各种气体载荷和循环热应力等，常处于振动工况下，其工作环境异常恶劣[4-5]．发动机的激振会引起机匣与部件之间的摩擦磨损[6]，由于机匣与部件的表面发生极小幅度的相对运动，其位移幅度为微米量级，所以机匣表面形成的磨损称之为微动磨损．铝合金硬度低、耐磨性差，在受到热影响后会引起较大的变形量，在微动磨损过程中极易发生氧化或变形现象．由于微动过程中铝合金基体表面会不断生成新的氧化层，导致铝合金基体一直被消耗．铝合金机匣与部件的连接间隙会因微动磨损的加剧而增大，大大降低疲劳极限，导致零部件失效，严重时会影响零部件的安全可靠性和使用寿命[7-8]．

图1 航空发动机(a)及机匣(b)外形图Fig.1 Outline drawing of aeroengine(a)and casing(b)

为了提升铝合金表面耐磨耐腐蚀性能，减小微动磨损，延长机匣的使用寿命，常通过表面处理的方法来提高机匣的抗微动磨损性能，如表面机械强化(喷丸、滚压)、表面热处理、表面涂覆技术(电镀与电沉积、热喷涂和气相沉积)等[9-11]．其中，表面涂敷技术在航天航空领域中应用最为广泛，在机匣表面可以快速制备耐磨耐腐蚀涂层，有效的提高其抗微动磨损性能及力学性能[12]．下面将针对铝合金机匣的抗微动磨损涂层材料及其制备工艺进行详细介绍．

1 抗微动磨损材料

合理选用涂层材料对防护微动磨损极为重要．在满足结构强度的前提下，选择塑性好、易变性的材料，可以有效地吸收相对滑动，减轻表面破坏；选择硬度大、疲劳强度高的材料，可以有效减轻微动磨损和裂纹的产生；微动初期可以产生第三体，提供自润滑效果的材料，可以减小接触表面的损伤[9]．常用于抗微动磨损的涂层材料分为金属材料和非金属材料，均有硬质和软质之分．典型软质材料有铝青铜、CuNiIn和TiN 等，典型硬质材料有MCrAlY、Co基WC和Cr2O3等[13-14]．软质材料虽然抗微动性能良好，有优异的减摩耐磨性，但因其与基体的附着力较差，所以限制了其应用范围．随着制备技术的不断提高，软质材料逐渐成为研究的热点，下面将着重介绍铝青铜、CuNiIn，MCrAlY和 TiN四种涂层材料．

1.1 铝青铜

铝青铜是以铝为主要添加元素的铜合金，其铝含量一般在5%～12%之间[15]，是一种新型的青铜合金．铝青铜可以被分为两类，普通铝青铜和复杂铝青铜．普通铝青铜是指铝-铜二元合金，其机械性能主要受铝含量的影响．当铝含量大于4～5%时，铝含量与铝青铜的强度和韧性成正比，与塑性成反比；当铝含量约为11%时，铝青铜的强度及耐磨性最好[16]．复杂铝青铜除了铝、铜元素外，还含有铁、镍、锰等其他起到组织细化作用的合金元素，使其耐磨性、硬度、强度及韧性均有所提升．铝青铜不但兼具了铜合金的优异性能，还具备比锡青铜更好的高强、高硬及良好的耐磨和耐蚀等机械性能[17]．通过热喷涂制备的铝青铜涂层有着良好的减摩性和抑制疲劳裂纹的优良性能，在航空航天、海水淡化、金属模具等存在严重微动磨损的设备中广泛应用[18]．

进入二十世纪以来，越来越多的人开始研究铝青铜涂层，利用不同的工艺制备铝青铜涂层．章海维[20]采用等离子喷涂在钢表面制备铝青铜涂层，研究不同工艺参数对涂层孔隙率、硬度、结合强度的影响，等离子喷涂铝青铜涂层的最佳工艺参数为喷涂距离 100 mm、喷涂电流 400 A、主气流量 2500 L/h、次气流量30 L/h．S. Alam[17]，采用低压等离子喷涂制备铝青铜涂层，研究不同的工艺参数对铝青铜涂层摩擦性能的影响，通过不断试验发现，在电流700～750 A、喷距250 mm、真空度6.66×10-3～1.33×10-2时，涂层耐磨性能最好．路阳等人[19]，研究了粒度对高铝青铜涂层的微观结构影响发现，粉体粒度越细，超音速等离子喷涂制备的涂层的组织和性能就越好．Wang[21]采用离子镀技术制备铝青铜涂层，针对涂层的微观结构进行了深入研究发现，涂层中含有γ2-(Cu9Al4)和β-(NiAl)相(图2)，γ2和β相是提升涂层耐磨性能的关键因素．

图2 粉料与喷涂态样品的XRDFig.2 XRD of powder and spray state samples

杨杰[22]利用超音速火焰喷涂和大气等离子喷涂在不锈钢表面制备铝青铜涂层，他认为α相和β′相对涂层微动磨损有重要影响，硬质β′相保证了涂层的硬度，α相起到良好的嵌藏和保护氧化层的作用，使涂层表现出良好的抗微动磨损性能，图3为两种涂层断面的扫描电镜照片[22]．

图3 铝青铜涂层截面电镜图(a)等离子喷涂涂层；(b)超音速火焰喷涂涂层Fig.3 SEM of aluminum bronze coating(a)plasma spraying coating；(b)high velocity oxygen flame sprayed coating

1.2 CuNiIn

轻质工程部件由铝合金和钛合金组成，广泛应用于航空、汽车等应用中，当两个接触表面由于振动或循环载荷引起的小振幅切向运动时，经常出现微动磨损[23]．CuNiIn涂层是一种综合性能优异的软质固体润滑膜层[24-26]，In主要起润滑作用，Cu和Ni既起润滑作用，也能增强涂层承载能力．CuNiIn涂层硬度低、耐微动磨损性能良好，并且具有良好的抗高温氧化性能，被用于改善轻质合金表面抗微动磨损性能和耐高温环境的零部件表面保护．

B. Rajasekaran[27]在基体Ti-6Al-4V上采用等离子喷涂和爆炸喷涂制备CuNiIn涂层，研究表明：等离子喷涂涂层，由于表面粗糙延长了微动疲劳寿命；爆炸喷涂涂层表面较高的硬度和压缩残余应力，同样使微动疲劳寿命延长．靳磊[28]针对CuNiIn涂层中生成的复合化合物CuInO2的晶体结构和力学性质，系统研究了CuNiIn抗微动磨损涂层的失效机理，结果表明CuInO2韧性差、热膨胀系数低，当涂层中含有CuInO2时会对抗微动磨损性能产生不利的影响，CuNiIn与CuInO2晶胞结构模型如图4所示．吴轩璇[29]在TC21钛合金基体上利用超音速火焰喷涂制备了致密均匀、结合良好的CuNiIn涂层，发现CuNiIn涂层对TC21钛合金抗微动磨损性能的影响和磨损机制，CuNiIn涂层的微动磨损机理主要为粘着磨损和磨粒磨损，TC21钛合金磨损表面微观形貌如图5所示．郭志宏[30]采用电弧喷涂工艺以CuNiIn丝材为原料制备涂层，研究不同工艺参数对涂层结合强度、孔隙率和抗微动磨损性能的影响，结果表明：随着电压的增加，涂层硬度增大，结合强度降低；在率频率10 Hz、位移幅值100 μm、载荷50 N的微动摩擦试验条件下，涂层抗微动磨损性能良好，涂层中的In起到了润滑的作用．

图4 CuNiIn与CuInO2晶胞结构模型(a)CuNiIn；(b)CuInO2Fig.4 Cell structure model of CuNiIn and CuInO2

1.3 NiCoCrAlYTa

MCrAlY (M=Ni，Co或NiCo合金)涂层是一种多元素的合金涂层，其主要成分由Ni，Co，Cr，Al，Y，Ta，Hf，Si，Zr和Ti等元素组成，具有良好的塑性、较高的高温强度、优异的抗氧化性能及抗腐蚀性能，是理想的高温耐磨防护涂层．涂层中每种元素都各自不同的特点，调整涂层中元素的种类和配比，可以得到不同性能的抗氧化、抗热腐蚀和机械性能优异的涂层[31-32]．Ni，Co或Ni+Co是MCrAlY涂层的基体元素，主要影响抗腐蚀(氧化)性能，当Co为20%～26%时，与Ni组合的MCrAlY涂层在具有抗氧化性的同时还具有最佳的韧性和耐磨性能；Al和Cr影响着MCrAlY合金的抗氧化性能，在长时

间的高温氧化环境下Al在界面形成一层致密的Al2O3保护膜，可阻止底层的氧化，而Cr除了促进Al2O3膜的生成外，还与O作用生成Cr2O3，主要起抗热腐蚀作用，也能提高抗氧化和抗硫化腐蚀性能．随着工业的需要，MCrAlY涂层的耐磨性成为了近年来国内外研究的热点．NiCoCrAlY粉末和涂层的扫面电镜图如图6所示[33]．

图6 NiCoCrAlY粉末和涂层的扫面电镜图(a)粉末形貌；(b)HVOF涂层表面形貌；(c)涂层的横截面Fig.6 SEM of NiCoCrAlY powder and coating[](a)powder morphology；(b)surface morphology of HVOF coating；(c)cross section of coating

Juan Pereira[34]等人，研究了NiCoCrAlY在低温和高温(500 ℃)情况下的摩擦行为，利用激光熔覆技术制备的NiCoCrAlY涂层结构均匀致密，结果表明NiCoCrAlY涂层在高温下有更好的摩擦磨损性能．室温下涂层的磨损机制主要是粘着磨损和剥层引起的，高温下的磨损机制主要是由高温下生成的氧化物颗粒或残留物造成的磨损．Hao[35]在NiCoCrAlYTa涂层中添加WC-Co增强材料，改善其显微硬度和耐磨性．NiCoCrAlYTa粉末和WC-Co粉末混合后超音速火焰喷涂技术制备涂层，随着硬质材料WC-Co的增加，涂层的显微硬度增加，摩擦系数增加，磨损率降低．同样，为了提高NiCoCrAlYTa涂层的耐磨性，刘自敬等人[36]在NiCoCrAlYTa中添加Al2O3，采用超音速等离子喷涂技术制备了NiCoCrAlYTa-10%Al2O3复合涂层，大大提高了耐磨性．目前，关于NiCoCrAlYTa涂层的抗微动磨损性能研究较少，这也是需要探究的热点之一．

1.4 TiN

TiN是一种新型的陶瓷材料，其粉末一般呈现黄褐色，具有高熔点、高硬度、摩擦系数小及优良的导热导电性和生物相容性，在耐高温、耐磨损、耐腐蚀等方面有广泛的应用，如刀具、模具和集成电路等产业[37]．目前制备TiN涂层的方法主要为物理气相沉积、化学气相沉积、超音速火焰喷涂和大气等离子喷涂等．

李渊明[38]比较了TiN和TiAlN涂层的摩擦磨损特性发现：由PVD技术在45钢表面沉积出的TiN和TiAlN涂层，随着载荷的增加摩擦系数都有较大的下降，TiN涂层效果更好(如表1所示)；磨损量随载荷的增大而增大，TiAlN涂层的抗磨损能力更好．古柏林[39]在高温下对TiN/Ti复合涂层的微动磨损特性进行研究，采用等离子体浸没离子注入和沉积技术(PIII&D)在1Cr18Ni9Ti不锈钢基材上制备复合涂层．结果表明：在部分滑移区，温度的改变对复合涂层的微动磨损特性影响不显著；在滑移区，室温下TiN/Ti涂层表现出较好的耐磨性，但磨损量随着温度的升高而增加．吴艳萍[40]针对不同位移幅值下Ti/TiN多层膜的微动磨损行为进行探究发现，随着位移幅值的增加，微动磨损由部分滑移区向滑移区转变，摩擦系数增加，磨损量增大，其主要的磨损机理是磨粒磨损和剥层，图7为Ti/TiN多层膜在正常载荷为20 N和不同位移幅度下的微动环．

表1 45钢、TiN与TiAlN在不同载荷下的平均摩擦系数

图7 Ti/TiN多层膜在正常载荷为20 N和不同位移幅度下的微动环Fig.7 Fretting ring of Ti/TiN multilayers under normal load of 20 N and different displacement amplitude(a)-5～5 μm;(b)-20～20 μm;(c)-100～100 μm

在工业生产中，根据不同的工作环境合理的选择涂层材料，可以更好的减缓微动磨损，这会推动工程应用的进步．研究学者不断探究性能更好的涂层材料，并探索复合涂层的可行性，根据不同材料的特性，将涂层材料与表面技术有机结合在一起，制备出适用更恶劣工况的复合涂层．

2 涂层制备工艺

表面涂覆技术是表面工程技术中应用最广的，也是制备抗微动磨损涂层的主要手段．在被保护的基体材料表面制备一层或多层涂覆层，从而提高基体材料的性能来满足不同的工作环境．表面涂覆技术生产效率高，材料的选择空间大，涂覆层致密性

高、厚度均匀可控、与基体有很强的结合力，常用于抗微动磨损涂层的技术主要包括热喷涂、气相沉积和电镀等．

2.1 热喷涂技术

热喷涂是特定的热源(如火焰、电弧、激光等)将涂层材料加热至熔化、半熔化或软化状态，同时借助自身或外加气流的动力将熔滴加速喷射至基体表面，沉积形成涂层，如图8所示．热喷涂技术具有所用材料种类多、工作效率高和成本低等优点，制备的涂层致密性高，与基体结合强度高，能够获得具有不同性能的涂层，如优异的耐磨涂层、绝缘涂层、耐腐蚀涂层等．随着航天工业的空前发展，热喷涂技术在航天产品的各类零部件中得到了广泛的应用．

图8 涂层形成原理Fig.8 Principle of coating formation

2.1.1 超音速火焰喷涂

超音速火焰喷涂(High Velocity Oxygen Fuel，简称 HVOF)是将涂料送入燃烧室，在高温高压火焰的作用下，涂料熔化并加速，熔融粒子在高速焰流的牵引下喷射至基体表面形成涂层[41]．相比其他热喷涂工艺，超音速火焰喷涂的火焰温度较低、焰流速度快、沉积效率高，其制备的耐磨涂层具有孔隙率低、氧化和热分解少、与基体结合强度高和耐磨性能好等优点，在工程机械领域有广泛的应用，但超音速火焰喷涂燃料消耗大，成本略高[42-45]．

徐涛等人[46]采用HVOF在Inconel690合金管上制备了WC-10Co-4Cr和CoCrW两种涂层，在载荷一定时涂层摩擦系数随位移幅值的增加而增加，WC-10Co-4Cr的耐磨性优于CoCrW 涂层，两种涂层在室温下的磨损机制主要为剥层和磨粒磨损(图9)．罗军等人[47]研究了HVOF制备的WC-27CrNi涂层的转动微动摩擦动力学行为，结果表明：WC-27CrNi涂层耐磨性能优异，在部分滑移区涂层磨损很小、摩擦系数始终低于基材；在滑移区，由于在微动过程中产生了硬质磨屑，所以摩擦系数高于基材，涂层的主要磨损机制为磨粒磨损、氧化磨损和剥层．E.J.Carrasquero[48]在SAE1045钢基体上采用HVOF制备Ni-Cr基合金涂层，研究在不同载荷下涂层的微动磨损性能，结果显示涂层的磨损量随载荷的增加而增大，在恒定载荷下磨损量随位移幅值的减小而减小．

2.1.2 等离子喷涂

等离子喷涂(Plasma spraying)的工作原理是利用电弧作用将工作气体(通常选用 Ar、He、N2和H2)电离成等离子焰流，涂料被高温高速等离子射流快速加热成熔滴，喷射在基体上冷却凝固形成片层结构的涂层[49-50]．等离子喷涂技术工艺稳定，在喷涂中由于焰流轴向温度下降很快，所以对基体的热影响较小；一般采用惰性气体作为工作载气，喷涂粉末很难与空气接触，涂层氧化率很低．等离子喷涂制备的耐磨涂层和热障涂层是研究的热点，在航空、航天领域应用零部件中应用广泛．

图9 WC-10Co-4Cr和CoCrW涂层磨痕表面SEM形貌照片Fig.9 SEM of wear scar morphology of WC-10CO-4Cr and CoCrW coatings

W.Tian等人[51]对比了纳米结构和非纳米结构Al2O3-13%TiO2涂层的抗微动磨损性能，他们发现等离子喷涂制备的纳米结构涂层存在纳米颗粒和非晶相，无明显的层状结构，比非纳米结构涂层硬度高，抗微动磨损性能好．V.Fridrici等人[52]在Ti-6Al-4V基体上用等离子喷涂制备的CuNiIn涂层，在研究涂层的微动磨损行为中发现，软质的CuNiIn涂层能有效减小磨痕中的裂纹长度，且裂纹长度随法向载荷的增加而增长．季珩等人[53]以TiN粉体为

原料，采用大气等离子喷涂在43 kW功率下，制备的涂层呈层状，结构均匀、孔隙率较小，表现出优异的耐磨性．

2.1.3 电弧喷涂

在热喷涂技术领域中，电弧喷涂设备简单、操作容易、成本低、不需要可燃气体和氧气，所制备涂层结合强度高[54-55]，广泛应用于机械部件的维修、防护等领域中．电弧喷涂的工作原理如图10所示[56-57]，利用两根丝材的端部与电源的正负极相接，发生短路而产生电弧，使丝材端部熔化，再利用通入的压缩空气雾化后喷射至基体表面形成涂层．电弧喷涂技术效率高、制备成本低，但相对其他热喷涂工艺，涂层致密性较差．

图10 电弧喷涂原理Fig.10 Principle of arc spraying

田浩亮等人[58]在45钢基体表面利用电弧喷涂技术制备了FeCrAl/Ni95Al复合涂层，在载荷30 N、频率5 Hz和位移幅值5 mm的微动摩擦磨损条件下干摩擦15 min后发现，涂层耐磨性好，磨损失效的主要形式为剥落失效和氧化磨损(如图11所示)．这是由于氧化物磨屑在一定程度上会由于热压烧结再次形成氧化物层，可以降低磨损率提高耐磨性能．郭志宏等人[30]，利用电弧喷涂技术制备CuNiIn涂层，在频率10 Hz、位移幅值0.1 mm、载荷50 N的微动摩擦试验条件下，涂层的磨损表面磨痕浅，并无明显的粘着痕迹，具备优良的抗微动磨损性能．

图11 复合涂层磨痕表面的SEM照片(a)宏观形貌；(b)微区形貌；(c)微区高倍形貌Fig.11 SEM of wear scar morphology of composite coating (a)macroscopic morphology；(b)micro-structure morphology；(c)high micro-structure morphology

2.2 气相沉积技术

气相沉积技术发展迅速，在现代工业中应用广泛．气相沉积根据原理的不同，主要可以分为化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，简称CVD)和物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，简称PVD)．CVD技术的原理是，在一定温度下气化原料，在基体表面通过化学反应生成薄膜材料．PVD技术是在真空或者低气压放电条件下，涂层材料由固相转变为气相，以原子或分子形式蒸发，在辉光放电产生的等离子体作用下，沉积或注入到基体上形成涂层[59]．气相沉积技术制备的涂层组织细小、均匀致密，可以有效提高基体材料表面的硬度、韧性、耐磨性、高温稳定性和使用寿命，但涂层厚度有限，且制备成本高昂．

Aravind Vadiraj等人[60]在医用材料Ti-6Al-4V和Ti-6Al-7Nb基体上，利用PVD技术制备TiN涂层，所制备的TiN涂层降低了摩擦系数，显著提高了基体材料的抗微动磨损性能，表现出良好的减摩耐磨性．Ben等人[61]利用磁控溅射技术在4140钢材基体上沉积了TiAlCN/TiAlN/TiAl复合涂层，在5 Hz，20000循环周次下，进行了50，100，200，500和750 N的不同载荷下的微动摩擦实验．结果表明，载荷直接影响抗微动磨损性能，载荷越大磨损量越大．何其荣[62]在T225NG钛合金基体上采用直流等离子体增强化学气相沉积(PCVD)方法制备TiN/TiN+Si/TiN多层膜，研究了室温至400 ℃范围内的微动磨损表现(图12)，发现多层膜可以显著降低钛合金基材的磨损，磨损量随温度的升高而增加，其主要的微动磨损机制为剥层和磨粒磨损．

图12 多层膜和基材在不同温度条件下磨损体积Fig.12 Wear volume of multilayer and substrate at different temperatures

2.3 电 镀

电镀技术实质上是利用电解的原理，在含有金属离子的盐溶液中，被镀工件作为阴极，在直流电的作用下，将金属离子还原并沉积在工件的表面，形成金属镀层[63-64]．镀层可以有效地提高基体耐磨性、导电性、防腐蚀性，并且有增进美观的效果．电镀工艺广泛应用于装饰、机械零部件、电子电器仪表、航空和军工等精密行业，但是电镀工艺能耗大、污染严重，重离子废水的处理是一大难题，电镀工艺正向着绿色环保生产的方向发展．

I. R. Aslanyan[65]在镀层中添加亚微米级SiC增强添加剂，研究其对抗微动磨损性能的影响．采用电镀技术，在钢基体制备含有不同含量亚微米级SiC增强添加剂的NiP镀层，并在420 ℃退火1 h，在载荷10 N、频率2 Hz、位移幅值500 μm条件下进行微动磨损实验．结果表明，摩擦系数随SiC添加量的增而增大，但经过热处理后，摩擦系数下降，磨损率降低．Kyungmok[66]选用圆柱与圆柱的接触形式进行微动磨损实验，并在实验中检测样品的电阻变化，镀金黄铜的抗微动磨损性能明显优于镀锡黄铜，可有效的减少接触表面的摩擦系数，电阻达到10 mΩ时镀金黄铜的寿命是镀锡黄铜的两倍．Xu[67]在涂料中掺杂纳米Al2O3陶瓷颗粒，利用电刷镀技术制备复合镀层，研究了20，200，400和500 ℃下的抗微动磨损性能，研究发现复合镀层与基体结合良好，在低温和高温下都表现出良好的抗微动磨损性能，究其原因是细晶强化和高密度位错强化所致．

3 结 语

目前，针对抗微动磨损涂层的工艺研究已相对完备，其中热喷涂技术是最常用的涂敷技术，采用不同的工艺及参数可以制备具有优异抗微动磨损性能的涂层，并在工程领域中有广泛的应用．但是在航空航天领域中，抗微动磨损涂层研究甚少，缺乏系统的制备工艺．在未来的研究中，应在以下几个方面进行突破：(1)深入航空航天领域抗微动磨损的研究，针对实际的服役条件，寻找最有效的工艺；(2)加深微动磨损的机理研究，从材料结构出发，探究微动磨损的根本机理；(3)探索新的表征手段，对微动摩擦进行实时检测，研究微动摩擦过程中涂层的变化．