摘要：接纳激光等离子喷涂技术在已失效的高温球阀基体质料上制备 Al2O3-TiO2 与 WC-Co 金属陶瓷涂层，在摩擦磨损试验机上时涂层的耐磨粒磨损性能进行研究，利用扫描电镜、光学显微镜对涂层的显微组织结构、磨损外貌及其相组进行剖析，并接纳维氏显微硬度计、WE-50 型液压拉伸验机和箱式电热炉对涂层的显微硬度、结合强度及杭热震性进行测试。结果标明 Al2O3-TiO2 金属陶瓷涂层的综合性能最好，可以用于失效高温球阀的再制造。
近年来，激光等离子喷涂技术应用于机械零部件再制造研究已引起了广泛的关注。接纳激光等离子喷涂耐磨质料笼罩磨蚀外貌，不但可以恢复使用失效的零件，并且可以提高质料的使用寿命，具有重要的应用价值和较好的经济效益。金属硬密封球阀能适用于高温、高压工况，具有流动阻力小、启闭迅速、使用压力、温度规模广等特点。可是，当通过球阀介质为液固或气固混淆物料且固体颗粒硬度又很高时，球阀球体和阀体密封面对耐磨性能要求较高，特别是气固混淆介质引起的球体与阀座间的干摩擦，极易造成密封面的太过磨损或拉伤而最终导致失效。某企业重整催化剂再生系统接纳美国某公司的高温球阀，其寿命短则几天，长则不到 1 个月。目前，解决的步伐是更换球阀或对球体和阀座密封面进行研磨后重新投入使用，但如此频繁地更换或维修，不但增加了生产本钱和维护人员的劳动强度，且每年因阀门频繁失效，造成停工、检修所带来的经济损失达数百万元。为此，笔者接纳激光等离子喷涂技术，在高温球阀阀芯质料外貌制备出 Al2O3-TiO2 与 WC-Co 金属陶瓷涂层，并对涂层的耐磨损性能机理和高温综合性能进行了研究。
1 试样制备及试验要领
1.1 涂层试样制备
试验接纳阀芯球体质料 40Cr13 马氏体不锈钢作为喷涂基体质料，尺寸为 Φ60mm×15mm；其化学身分（以质量分数计，下同）为：0.38% C、0.62% Si、0.80% Mn、0.050% P、0.030% S、12.87% Cr。经检测，阀芯球体已经过淬火及低温回火处理，其组织为回火马氏体，硬度 512~545HV0.2。
等离子喷涂喂料划分为纳米 Al2O3-13% TiO2 与 WC-12% Co 粉末，其粉末粒度为 50~500nm。接纳美国 Sulzer2MetCo 大气等离子喷涂系统及 F42MB 型喷枪制备涂层，2 种涂层的厚度均约为 50?m。
1.2 涂层性能测试
接纳维氏显微硬度汁丈量涂层试样外貌的维氏硬度，试样经打磨，抛光。凭据 ISO-4516-2002 《金属涂层维氏与努氏硬度丈量要领》划定，加载时间 5s，饱载时间 10s，何个试样连续测定 5 个点，取算术平均值，两压痕中心距离或任一压痕中心距试样边沿的距离不小于 3mm。接纳日本 JEOL 公司 JSM-5900 型扫描电子显微镜（SEM）视察涂层横截面形貌。
摩擦磨损试验接纳 MM-Wl 型万能摩擦磨损试验机进行，凭据 ASTM-G99-2004 《销盘式摩擦磨损试验标准》划定，上试样为接纳电刷镀处刷镀高速镍钨镀层的阀座质料 CY5SnBiM 镍基合金（ASME 标准质料）销（Φ5mm×12.7mm)，下试样为喷涂有 Al2O3-TiO2 与 WC-Co 金属陶瓷涂层的 40Crl3 钢盘（Φ60mm×15mm)，在试验前试样均经过精磨，使其外貌粗糙度 Ra 为 0.2~0.3?m。试验在大气条件和干摩擦条件下进行，试验温度为室温，载荷 20N，滑动速度 4.6m/s，滑动总行程为 1920m。在试验前后，将试样放人盛有丙酮溶液的烧杯中，在超声波清洗仪中清洗 3~5min，干燥后用精度为 0.1mg 的赛多利斯 BS224S 电子天平称觉销试样磨损前后的质量损失；用精度为 2?m 的 AF-LI 型接触与非接触式外貌轮廓丈量仪丈量盘试样磨损外貌凹坑宽度和深度，通过盘算获得销和盘的磨损体积损失。选用稳定阶段的平均摩擦系数作为试验结果，所有磨损量取 3 次试验结果的算术平均值。
凭据 ASTM-C633一2001 《热喷涂涂层结合强度试验标准》划定，用 WE-50 型液压拉伸验机测定涂层与基体的结合强度。涂层热震试验是将试样放入 800℃ 温度条件下的箱式电热炉中，保温 20min，然后取出，放入室温冷水中迅速冷却至室温，如此重复循环，进行 100 次循环试验或直到涂层泛起脱落现象。视察每 1 个热循环后涂层的变革情况，纪录第 1 次泛起裂纹和第 1 次泛起脱落现象所经历的热循环次数。
2 结果与讨论
2.1 涂层的组织和性能
Al2O3-TiO2 与 WC-Co 金属陶瓷涂层由粒子相互搭接而成，涂层组织致密，无明显裂纹和粗大孔隙。其由 Al2O3、TiO2 等物相组成，同时还含有少量的 Fe3O4，这是由于电弧喷涂历程中弧区温度较高、质料被氧化的结果。
2.2 摩擦磨损性能和外貌显微硬度
金属陶瓷涂层的显微硬度明显高于基体的显微硬度，其中 Al2O3-TiO2 涂层的显微硬度（维氏硬度）最高，抵达了 1463，而基体的显微硬度（维氏硬度）仅有 524。由于外貌沉积形成 Al2O3、TiO2、WC 和 Co2O3 等硬质金属间化合物，使得等离子涂层的外貌硬度明显高于基体。以等离子喷涂工艺制备的 Al2O3-TiO2 与 WC-Co 金属陶瓷涂层摩擦副配对的耐磨性能较未处理过的摩擦副配对均有明显提高，其中 WC-Co 金属陶瓷涂层的耐磨性能要稍好于 Al2O3-TiO2 金属陶瓷涂层，等离子喷涂涂层之所以具有高的耐磨性是因为其在具有高显微硬度的同时涂层中弥散漫衍着纳米晶颗粒，高硬度的涂层难以爆发塑性变形，在接触下不可爆发明显的脆性剥落，弥散漫衍的纳米晶颗粒对涂层具有很好的弥散强化作用，两者配合提高了摩擦副的耐磨性能。
激光等离子喷涂涂层和未处理过的基体的外貌形貌有明显的区别，说明占主导职位的磨损机理并不相同。磨痕表层泛起明显的犁沟特征，即微观切削历程明显，同时在载荷作用下磨粒压人摩擦外貌而爆发压痕，将塑性质料外貌挤压出层状或鳞状的剥落碎削。因此，用等离子喷涂工艺制备的涂层主要磨粒磨损为主。泛起的片状剥落和塑性变形特性，标明基体保存粘着磨损，说明磨粒磨损已不再是主要的磨损方法，这可能是基体在循环变革的接触应力作用下，基体质料疲劳剥落而成凹坑，原摩擦副配对时粘着磨损和疲劳磨损的综相助用，而以疲劳磨损为主。
2.3 涂层结合强度和热震性能
涂层与基体的结合强度和热震性能关于球阀在高温工况条件事情具有重要的影响。 Al2O3-TiO2 金属陶瓷涂层与基体的结合强度最高，抵达了 60.40MPa，WC-Co 金属陶瓷涂层的结合强度仅有 39.45MPa。涂层内孔隙率以及涂层与基体的线膨胀系数是否匹配是影响涂层结合性的主要原因。由试验结果可知，Al2O3-TiO2 金属陶瓷涂层与阀芯球体的结合性能最好。
经过 100 次冷热循环，Al2O3-TiO2 金属陶瓷涂层未爆发任何明显可见裂纹和剥离现象，而 WC-Co 金属陶瓷涂层 6 次就泛起了明显裂纹，8 次就开始了脱落。Al2O3-TiO2 金属陶瓷涂层由于具有较 WC-Co 金属陶瓷涂层与基体越发匹配的线膨胀系数，因此其抗热震性能远远大于 WC-Co 金属陶瓷涂层。
3 结论
1) 2 种金属陶瓷涂层均具有较高的显微硬度和较小的孔隙率，组织致密，无明显裂纹，呈典范的层状结构。
2) 由金属陶瓷涂层组成的摩擦副配对的耐磨性较原摩擦副配对有明显提高。涂层摩擦副磨损机理是以磨粒磨损为主；原摩擦副配对是以疲劳磨损为主。
3) 通过激光等离子喷涂涂层的耐磨性、显微硬度、结合强度和抗热震性性能试验研究标明，Al2O3-TiO2 金属陶瓷涂层的综合性能要优于 WC-Co 金属陶瓷涂层，可接纳 Al2O3-TiO2 金属陶瓷涂层作为高温球阀再制造的喷涂涂层。
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