喷涂工艺对Ta2O5原位复合钽基纳米晶涂层微观结构及摩擦磨损性能的影响

doi:10.11900/0412.1961.2020.00242

喷涂工艺对Ta₂O₅原位复合钽基纳米晶涂层微观结构及摩擦磨损性能的影响

李晓倩¹^,², 王富国¹, 梁爱民^,¹^,²

1.中国科学院兰州化学物理研究所材料磨损与防护重点实验室兰州 730000

2.中国科学院大学材料与光电研究中心北京 100049

Effect of Spraying Process on Microstructure and Tribological Properties of Ta₂O₅ In Situ Composite Nanocrystalline Ta-Based Coatings

LI Xiaoqian¹^,², WANG Fuguo¹, LIANG Aimin^,¹^,²

1.Key Laboratory of Science and Technology on Wear and Protection of Materials, Lanzhou Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China

2.Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

通讯作者: 梁爱民，liangaimin@licp.cas.cn，主要从事高性能防护功能涂层材料的研究

收稿日期: 2020-07-22 修回日期: 2020-09-06 网络出版日期: 2021-01-22

基金资助:

装备预先研究项目(培育项目). 0711

Corresponding authors: LIANG Aimin, associate professor, Tel:(0931)4968005, E-mail:liangaimin@licp.cas.cn

Received: 2020-07-22 Revised: 2020-09-06 Online: 2021-01-22

作者简介 About authors

李晓倩，女，1996年生，硕士生

摘要

采用大气等离子喷涂制备了Ta₂O₅原位复合钽基纳米晶涂层，利用SEM、微束XRD、微动摩擦磨损实验机及非接触三维表面轮廓仪等技术手段并结合计算分析，考察了喷涂功率、主气(Ar)流量等对钽基涂层表面Ta₂O₅含量、晶粒尺寸、显微硬度和摩擦磨损性能等的影响规律及原因。在考察范围内，随喷涂功率增大，钽基涂层表面Ta₂O₅含量呈先减小后增大的变化，而涂层表面α-Ta的晶粒尺寸及点阵畸变则均呈先增大后减小的变化；随Ar气流量增大，涂层表面Ta₂O₅含量总体呈减小趋势，在流量为2.17×10^-3~2.33×10^-3 m³/s时达到最低，α-Ta的晶粒尺寸与点阵畸变的变化呈负相关性；采用间断喷涂方法时涂层表面Ta₂O₅含量降低，α-Ta晶粒尺寸及点阵畸变均略有减小。通过对喷涂相关微观过程特点的分析，对这些规律作了阐释。涂层的显微硬度与其表面Ta₂O₅含量相关，高硬度涂层的表面Ta₂O₅含量相对较低；干摩擦条件下晶粒较大、Ta₂O₅含量较少的涂层抵御硬质陶瓷低速刻划的能力较差；边界润滑状态下硬度较高的涂层表现出更优的抗磨减摩性能；采取间断喷涂可获得摩擦学性能最佳的涂层。钽基涂层的机械性能与其微观结构特征显著相关；除显微硬度外，涂层晶粒尺寸、点阵畸变及表面Ta₂O₅含量的相对值可用作质量控制的重要指标。

关键词： 钽基涂层 ; 纳米晶 ; 等离子喷涂 ; Ta₂O₅ ; 晶粒尺寸 ; 磨损率

Abstract

In the fields of aviation, aerospace, and military, Ta-based coatings are of wide prospects in applications owing to their remarkable characteristics. Compared with other preparation methods, plasma spraying has obvious technical advantages in preparing Ta-based coatings. In this work, Ta₂O₅ in situ composite nanocrystalline Ta-based coatings via plasma spraying were fabricated. Effects of the spraying power, main gas (Ar) flow rate, and spraying mode on the fine surface microstructure and friction, as well as on the wear properties of Ta-based coatings, were investigated using several techniques. Such techniques included SEM, micro-beam XRD, fretting friction and wear test, and computational analysis. Moreover, related rules and causes were discussed. Results indicated that the Ta₂O₅ content at the surface of Ta-based coatings initially decreased and then increased with an increase in the spraying power. Conversely, the crystal size and lattice distortion of α-Ta at the coating surface initially increased and then decreased. With an increase in the Ar flow rate, the Ta₂O₅ content decreased in general and reached the lowest value when the flow rate was 2.17×10^-3-2.33×10^-3 m³/s. A negative correlation between the variation of the crystal size and lattice distortion with Ar flow rate has been observed. The Ta₂O₅ content, crystal size, and lattice distortion slightly decreased due to intermittent spraying. Moreover, a significant correlation between the Ta₂O₅ content and coating microhardness was observed. Under dry friction, the wear rate is closely related to both the oxide content and crystal size. Low oxide content and large crystal size results in high wear rate. Under boundary lubrication, coatings with higher levels of hardness exhibit better anti-wear and friction-reducing performance in the same series of Ta-based coatings. The coating exhibiting the best tribological properties can be achieved via intermittent spraying. Mechanical properties of Ta-based coating are significantly correlated with their fine microstructure characteristics. Aside from microhardness, the grain size, lattice distortion, and oxide content of the coatings can be utilized as important indexes to control the coating quality.

Keywords： Ta-based coating ; nanocrystal ; plasma spraying ; Ta₂O₅ ; crystal size ; wear rate

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本文引用格式

李晓倩, 王富国, 梁爱民. 喷涂工艺对Ta₂O₅原位复合钽基纳米晶涂层微观结构及摩擦磨损性能的影响. 金属学报[J], 2021, 57(2): 237-246 DOI:10.11900/0412.1961.2020.00242

LI Xiaoqian, WANG Fuguo, LIANG Aimin. Effect of Spraying Process on Microstructure and Tribological Properties of Ta₂O₅ In Situ Composite Nanocrystalline Ta-Based Coatings. Acta Metallurgica Sinica[J], 2021, 57(2): 237-246 DOI:10.11900/0412.1961.2020.00242

在航空航天和武器装备等领域，其关键部件通常运行于极端苛刻环境，需具备抗磨损、耐高温、抗氧化、长寿命及高可靠服役等性能。金属Ta具有高熔点、高密度、低膨胀系数、低热导率^[1]及良好的摩擦学与耐腐蚀性能^[2,3]，可用作表面防护材料。由于钽铌矿物共生，Ta的提炼复杂、成本昂贵，直接使用Ta无法满足工业需求，Ta金属更适合用于涂层材料^[4]。钽基涂层因其性能独特，可满足多种极端工况需求，具有广阔应用前景^[5~8]。Ta主要有2种物相，即bcc结构α-Ta和四方结构β-Ta^[9]。α-Ta熔点高(3269 K)，机械性能优异，是块体Ta中普遍存在的物相^[10]；β-Ta则硬而脆，热稳定性较差^[11]。在减摩抗磨应用方面，α-Ta相是更为理想的物相选择^[12]。

当前大多采用磁控溅射^[10]、化学气相沉积^[13]、激光熔覆^[14]和等离子喷涂^[15]等技术制备钽基涂层。等离子喷涂因其热源温度足以熔化所有金属及陶瓷粉末，具有很高沉积速率，被广泛用于各类防护涂层的制备^[16,17]。等离子喷涂涂层由多层扁平变形粒子堆叠而成，涂层的微观组织和机械性能受喷涂工艺因素影响^[18~20]。目前关于等离子喷涂钽基涂层表面微观精细结构及其对摩擦学性能的影响鲜有研究。本工作采用等离子喷涂制备Ta₂O₅原位复合钽基纳米晶涂层，考察了喷涂功率、主气(Ar)流量及喷涂方式对该类涂层表面Ta₂O₅含量、晶粒尺寸、点阵畸变、显微硬度和摩擦磨损性能的影响规律及原因，阐述了钽基涂层微观结构特征与其机械性能的显著相关性，提出用于涂层质量控制的结构特征指标，以期为制备性能优异的钽基抗磨防护涂层提供依据。

1 实验方法

实验用基材为直径24 mm、厚8 mm的45钢圆块，喷涂前对基材试样圆面进行单面喷砂处理。喷涂用粉料为商用Ta粉末(粒径<45 μm，纯度>99.9%，质量分数)。采用DH-2080型等离子喷涂设备制备钽基涂层，喷涂用主气和辅气分别为Ar气和H₂。

在固定其他工艺参数大体不变或相近的条件下，改变喷涂功率制备了No.1~No.4涂层，改变Ar气流量制备了No.4~No.6涂层，分别采用连续喷涂和间断喷涂方式制备了No.4和No.7涂层。本工作中喷涂功率和Ar气流量的可调范围并不宽，其他工艺参数(喷涂距离、送粉速率等)均已优化且保持不变，各涂层的主要喷涂工艺参数如表1所示。

表1 钽基涂层等离子喷涂的主要工艺参数

Table 1 Main plasma spraying process parameters of Ta-based coatings

Coating	Spraying current A	Spraying voltage V	Spraying power kW	Ar flow rate 10^-3 m³·s^-1	Spraying time	Spraying mode
No.1	360	163	58.68	1.95-2.12	4	C
No.2	380	163	61.94	1.88	4	C
No.3	400	161	64.40	1.88	4	C
No.4	420	158-161	66.99	1.88	4	C
No.5	420	161	67.62	2.17-2.33	4	C
No.6	420	163	68.46	2.55-2.62	4	C
No.7	420	161	67.62	1.92-1.95	6	I

Note: C—continuous, I—intermittent

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利用D8-Discover X射线衍射仪(XRD)及微束衍射技术分析喷涂用Ta粉和钽基涂层的物相组成。微束X射线对样品表面的穿透深度因入射角而变化，分析区域的深度为1~2 μm，使用Cu靶K_α辐射，扫描速率0.02°/step，扫描范围10°~90°。利用JSM-6701F场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)及能谱仪(EDS)分析Ta粉末及钽基涂层的表面形貌和元素组成。钽基涂层的表面粗糙度(R_a)通过2206型表面粗糙度测量仪测量。采用MH-5-VM显微硬度仪测量钽基涂层的Vickers硬度，压入载荷100 g，保压时间10 s。钽基涂层(经磨抛处理，R_a为0.2~0.4 μm)的摩擦学性能采用SRV-Ⅳ微动摩擦磨损试验机测试，磨擦副为直径10 mm的Al₂O₃球。分别在小载低速干摩擦和高载高速油润滑条件下对钽基涂层的摩擦磨损性能进行对比考察。干摩擦实验条件：载荷10 N，频率6 Hz，往复距离1 mm，时间30 s；油润滑摩擦实验条件：润滑介质为液体石蜡，载荷30 N，频率40 Hz，往复距离1 mm，时间20 min。涂层的磨损体积采用MicroXAM-800非接触三维表面轮廓仪测量。

2 实验结果与讨论

2.1 Ta粉及涂层的物相分析

等离子喷涂用Ta粉为不规则多角块状(图1a)，EDS分析表明，该粉末中除含有元素Ta外，还有极少量源于样品表面吸附的O和C (图1b)。图1c为Ta粉的XRD谱。可知该Ta粉中含有α-Ta相及Ta₂H等氢化物相。氢化物的产生是由于在制备Ta粉的过程中，引入了氢化步骤，有部分H原子进入了Ta的晶格^[21]。

图1

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图1 金属Ta粉末的SEM像、EDS和XRD谱

Fig.1 SEM image (a), EDS (b), and XRD spectrum (c) of Ta powders

钽基涂层表面含有大量α-Ta和少量Ta₂O₅相，其XRD谱(图2)中未出现非晶相的包状衍射峰。虽在喷涂过程中采用惰性Ar气为主气，但等离子焰流中仍混有一定量空气及其等离子体，Ta粉末熔滴在随焰流飞行和到达涂层基底后冷却的过程中，发生少量氧化反应，生成Ta₂O₅。由此通过等离子喷涂制备了Ta₂O₅原位复合钽基涂层。

图2

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图2 钽基涂层的XRD谱

Fig.2 XRD spectrum of Ta-based coating

2.2 表面形貌与粗糙度

喷涂过程中等离子焰流使粉末颗粒受热熔融，并高速撞击到基底表面，铺展、凝固成圆形薄片，薄片堆叠形成特有的层状结构^[22]。因焰流中心温度高于边缘，处于焰流边缘的颗粒无法充分熔融，涂层中也会出现未完全熔融的圆盘状结构^[23]。本研究采用不同喷涂工艺制备了7种钽基涂层，从SEM像(图3)大致可见片层结构的轮廓。喷涂功率及主气流量对涂层表面形貌的影响不是十分显著，在较高功率(64.40 kW)下制备的No.3涂层表面相对较均匀。采用间断喷涂制备的No.7涂层表面相对最致密。

图3

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图3 No.1~No.7钽基涂层表面形貌的SEM像

Fig.3 Surface SEM images of No.1 (a), No.2 (b), No.3 (c), No.4 (d), No.5 (e), No.6 (f), and No.7 (g) Ta-based coatings

No.1~No.7涂层的表面粗糙度如图4所示。可见，随喷涂功率增加，涂层表面粗糙度先减小而后变化不大；主气流量增大时，涂层表面粗糙度略有降低；采用间断喷涂并增加喷扫次数(由4增为6)制备的No.7涂层粗糙度最大(R_a=5.631 μm)，因涂层本身存在厚度不均一性，在一定范围内这种不均匀性可能随涂层增厚而累积，导致涂层表面更粗糙。

图4

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图4 No.1~No.7钽基涂层的表面粗糙度

Fig.4 Surface roughnesses of No.1-No.7 Ta-based coatings

2.3 氧化物含量

对于同一组成系列且仅有2种物相的涂层材料，2物相XRD峰强度的相对高低一般由其含量的相对多少决定(XRD测试条件相同)。钽基涂层表面Ta₂O₅的相对含量可用I $_{T a_{2} O_{5} (h k l)}$ /I $_{T a (h' k' l')}$ 来表征(I $_{T a_{2} O_{5} (h k l)}$ 和I $_{T a (h' k' l')}$ 分别表示Ta₂O₅ (hkl)晶面和α-Ta (h'k'l')晶面对应衍射峰的强度；h、k、l和h'、k'、l'代表晶面指数)。图5a为钽基涂层表面的微束XRD谱。将Ta₂O₅ 2个相对最强的衍射峰与α-Ta的三强峰分别作强度比，得到的6组强度比值随喷涂工艺因素的改变，如表2所示，均体现出大体一致的变化趋势。以I $_{T a_{2} O_{5} (001)}$ /I $_{T a (110)}$ 对各工艺变量作图，可直观反映涂层表面Ta₂O₅含量变化(图5b)。

图5

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图5 钽基涂层表面的微束XRD谱和各涂层的I $_{T a_{2} O_{5} (001)}$ /I $_{T a (110)}$

Fig.5 Surface micro-beam XRD spectra (a) and columnar chart of I $_{T a_{2} O_{5} (001)}$ /I $_{T a (110)}$ (b) of No.1-No.7 Ta-based coatings (I $_{T a_{2} O_{5} (001)}$ and I $_{T a (110)}$ —intensities of XRD peaks of Ta₂O₅(001) and α-Ta(110) crystal planes, respectively)

表2 No.1~No.7钽基涂层表面2种物相XRD峰的强度比

Table 2 Intensity ratios of XRD peaks of two phases in surface layers of No.1-No.7 Ta-based coatings

Coating	I $_{T a_{2} O_{5} (001)}$ /I $_{T a (110)}$	I $_{T a_{2} O_{5} (001)}$ /I $_{T a (200)}$	I $_{T a_{2} O_{5} (001)}$ /I $_{T a (211)}$	I $_{T a_{2} O_{5} (110)}$ /I $_{T a (110)}$	I $_{T a_{2} O_{5} (110)}$ /I $_{T a (200)}$	I $_{T a_{2} O_{5} (110)}$ /I $_{T a (211)}$
No.1	0.044	0.416	0.156	0.053	0.500	0.188
No.2	0.036	0.286	0.114	0.045	0.357	0.143
No.3	0.031	0.308	0.111	0.031	0.308	0.111
No.4	0.047	0.417	0.152	0.066	0.583	0.212
No.5	0.035	0.035	0.114	0.053	0.462	0.176
No.6	0.036	0.036	0.118	0.054	0.462	0.176
No.7	0.035	0.035	0.118	0.045	0.385	0.147

Note:I $_{T a_{2} O_{5} (110)}$ —intensity of XRD peak of Ta₂O₅ (110) crystal plane; I $_{T a (200)}$ and I_{Ta (211)}—intensities of XRD peaks of α-Ta (200) and (211) crystal planes, respectively

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Ta₂O₅熔点为2073 K，蒸发温度为2373 K，远低于Ta的熔点和沸点(分别为3269和5698 K)。Ta₂O₅因蒸发温度与熔点较接近，可直接由固态升华，一边熔融一边升华，为半升华材料。钽基涂层表面Ta₂O₅含量随喷涂功率升高呈先减小后增大的变化(图5b)。喷涂功率为58.68 kW (较低)时，Ta颗粒温度较低、速度较慢，Ta₂O₅易于形成，制得的No.1涂层表面微束XRD谱中I $_{T a_{2} O_{5} (001)}$ /I $_{T a (110)}$ 为0.044。当喷涂功率升至64.40 kW时，Ta颗粒温度升高，Ta₂O₅的升华过程更显著，与所获No.3涂层对应的I $_{T a_{2} O_{5} (001)}$ /I $_{T a (110)}$ 达到最低值0.031。喷涂功率继续升高，达到66.99 kW时，由于焰流速度过快，Ta颗粒未充分受热，Ta₂O₅升华过程相对减弱，No.4涂层表面Ta₂O₅含量反倒升高。喷涂过程中增大Ar气流量会显著抑制金属原子的氧化过程。Ar气流量由1.88×10^-3 m³/s增大到2.17×10^-3~2.33×10^-3 m³/s时，相应涂层的I $_{T a_{2} O_{5} (001)}$ /I $_{T a (110)}$ 由0.047降至0.035，但继续加大Ar气流量，涂层表面Ta₂O₅含量变化不大(图5b)。采用间断喷涂时存在一小段(2~3 s)中间冷却间隔，周围环境及涂层基底的温度均相对较低，金属Ta的氧化过程被显著削弱，故No.7涂层的I $_{T a_{2} O_{5} (001)}$ /I $_{T a (110)}$ 比采用连续喷涂方式大幅降低(图5b)。

2.4 晶粒尺寸和点阵畸变

材料制备加工过程中，物质的膨胀、相变和形变等都可能导致内部微观应力变化及点阵畸变。纳米晶材料的XRD谱中衍射峰的宽化往往是由晶粒细化和点阵畸变共同引起，通过XRD对二者同时进行测定是较理想的近似处理方法^[24]。钽基涂层的各衍射峰均发生了不同程度的宽化，且随着衍射角(2θ)增加，衍射峰宽化更显著(图5a)。等离子喷涂涂层是高温熔体经极速冷却形成，大多存在晶粒细化及微观应力导致的点阵畸变，因此会造成衍射峰宽化。由图5a中α-Ta相(110)及(220)晶面对应衍射峰(属同族晶面不同级次的衍射峰)的峰位及半高宽数据，按Cauchy-Gauss型近似函数法，利用以下方程可计算该类涂层表面α-Ta晶粒沿(110)晶面法向的晶粒尺寸和点阵畸变^[25,26]：

\frac{β_{c}}{β_{f}} = 1 - {[\frac{β_{s}}{β_{f}}]}^{2}

(1)

\frac{β_{f}^{2}}{t a n^{2} θ} = \frac{λ}{D} [\frac{β_{f}}{t a n θ ∙ s i n θ}] + 16 {[\frac{Δ d}{d}]}^{2}

(2)

式中，β_c和β_s分别为晶粒细化和微观应力引起的衍射峰宽化宽度，β_f表示物理宽度，波长λ=0.154 nm，θ为1/2衍射角，D为晶粒尺寸， $[\frac{Δ d}{d}]$ 表示点阵畸变(其中，d为晶面间距，Δd为测量的晶面间距与标准晶面间距的偏差)。

等离子喷涂过程中，喷涂功率对涂层表面晶粒尺寸的影响是通过改变熔滴凝固的过冷度或冷却速率来实现的。蒋驰等^[27]对等离子喷涂钽基涂层进行考察，通过在线测试研究表明：在等离子喷涂过程中，当喷涂距离和送粉量一定时，喷涂功率影响并决定着Ta飞行粒子或熔滴到达基底时的温度和速度。在此情形下喷涂功率自然地影响涂层表面的冷却历程和内部晶体的结晶行为。由于钽基涂层表面的晶粒尺寸与熔滴到达基底后的冷却速率是密切相关的，故而可认为喷涂功率改变时晶粒尺寸发生变化，是因喷涂功率影响到达基底的熔滴凝固的冷却速率或过冷度造成的。一般地，冷却速率越大，形成的晶粒越细小。随喷涂功率增大，钽基涂层表面的晶粒尺寸先增大后变小(图6a)，由此可以反推：Ta熔滴的冷却速率随喷涂功率升高必经历了先减小后增大的变化。调节喷涂功率可改变熔滴的飞行速率、温度^[27]和连续喷涂过程中的基底温度，它对熔滴冷却凝固过程的影响是复杂的。涂层表面的急速凝固成型使得生长较快、尺寸较大的晶粒，其内部点阵畸变和微观应力也往往较大。因此，随喷涂功率改变涂层表面的α-Ta晶粒尺寸与其点阵畸变呈现正相关性(图6b)。在考察的功率范围内，涂层表面α-Ta晶粒沿(110)晶面法向的平均晶粒尺寸在23.4~52.0 nm，点阵畸变在0.373%~0.549%范围。

图6

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图6 钽基涂层表面α-Ta的晶粒尺寸与点阵畸变随喷涂功率的变化和喷涂功率改变时晶粒尺寸与点阵畸变的正相关性，以及二者随Ar气流量和喷涂方式的变化

Fig.6 Variation of crystal size (D) and lattice distortion (Δd/d) of α-Ta in Ta-based coatings with spraying power (a), and their positive correlation with spraying power (b), and variations of D and Δd/d with Ar flow rate (c) and spraying mode (d)

Ar气流量升高能提高等离子焰流刚性，增大粉末熔滴速率，可在一定范围内提高粉末熔滴的温度；但如果Ar气流量过高，气体将从焰流带走部分热量，并使粉末熔滴飞行速率大幅升高，显著缩短其在焰流中的加热停留时间，熔滴到达基底时的温度变低。Ar气流量由2.17×10^-3~2.33×10^-3 m³/s升高至2.55×10^-3~2.62×10^-3 m³/s时，涂层表面α-Ta的平均晶粒尺寸由33.4 nm减小至30.8 nm。在考察范围内，涂层表面α-Ta的晶粒尺寸随主气流量升高表现出先增大后减小的趋势(图6c)，这种变化也是由Ar气流量的改变影响Ta熔滴的冷却速率决定的；相应的点阵畸变则出现大体相反的变化趋势，晶粒尺寸与点阵畸变的变化显示负相关性，这同喷涂功率改变时的情形相反，可能与增大气流引起的冷却效应有关。在相近喷涂功率下(如No.4与No.7涂层)，间断喷涂与连续喷涂的最大区别在于间断喷涂时基底温度更低，涂层表面冷凝更快，晶体形核比生长过程更占优势，形成的晶粒更细小；因生长过程受抑制，晶体生长速率慢，其点阵畸变变得略小(图6d)。

2.5 显微硬度

等离子喷涂钽基涂层具有较复杂的结构特征，涂层的晶粒尺寸、点阵畸变、微观应力、致密程度及氧化物含量等因素都会影响涂层的显微硬度^[28,29]。图7a为No.1~No.7涂层显微硬度的柱状图。可见，随喷涂功率增大，涂层的平均显微硬度呈先上升后下降的变化；喷涂功率为64.40 kW时，涂层硬度达最大值(920.55 HV)；主气流量增大时，涂层硬度也出现先升高后降低的变化，主气流量为2.17×10^-3~2.33×10^-3 m³/s时涂层可获得该系列相对大的硬度(872.16 HV)；同样喷涂参数下，采用间断喷涂制备的涂层显微硬度略高(图7d)。涂层的显微硬度受多种复杂结构因素的协同影响，涂层硬度与其微观结构特征具有显著的相关性，各喷涂工艺系列的变化趋势转折点都在同一工艺条件出现。尤为显著的是，涂层表面氧化物含量与其显微硬度随工艺因素的变化趋势一致(图7b~d)，故通过工艺参数的合理调配适度降低氧化物含量，有利于获得硬度较高的涂层。

图7

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图7 钽基涂层的平均显微硬度柱状图及涂层平均显微硬度与表面Ta₂O₅含量随喷涂功率、Ar气流量和喷涂方式的变化

Fig.7 Columnar chart of average microhardness of Ta-based coatings (a), and variation of average microhardness and surface Ta₂O₅ content of the coatings with spraying power (b), Ar flow rate (c), and spraying mode (d)

2.6 摩擦磨损性能

图8a和b分别为干摩擦和石蜡润滑条件下7个钽基涂层的摩擦系数随时间的变化曲线，其平均摩擦系数如表3所示。采用Al₂O₃球作对偶的干摩擦极端条件下，各涂层在较短实验期间的摩擦系数随工艺因素改变未呈现显著的变化规律，除采用间断喷涂的No.7涂层外，其他涂层的摩擦系数都在1左右；该实验条件下各涂层的磨损率则展现明显的规律性变化。干摩擦时氧化物将发挥一定的抗磨作用，故其含量对涂层的干摩擦性能有较大影响。从氧化物含量随工艺因素的变化(图5b)和干摩擦下各涂层抗磨性(或磨损率)与工艺因素的关系图(图9)的对比来看，二者的大体走势(主要对于喷涂功率与主气流量这2个系列)较为一致(或显著相关)；一般地，在较小荷载的干摩擦条件下涂层氧化物含量增加有助于涂层抗磨性的改善。本研究中氧化物含量及晶粒尺寸可能共同影响着该复合涂层干摩擦下的磨损行为。晶粒较大的涂层(如No.3和No.5)在同系列样品中显示较高的干摩擦磨损率(图6和图9)，抵御硬质陶瓷低载低速摩擦刻划的性能较差。

图8

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图8 干摩擦及石蜡润滑条件下No.1~No.7钽基涂层摩擦系数随时间变化曲线

Fig.8 Variation curves of friction coefficients of No.1-No.7 Ta-based coatings with time under unlubr-ication (a) and paraffin lubrication (b) condition, respectively (μ₁, μ₂—average friction coefficients under unlubrication and paraffin lubrication conditions, respectively)

表3 No.1~No.7钽基涂层的平均摩擦系数

Table 3 Average friction coefficients of No.1-No.7 Ta-based coatings

Coating	μ₁	μ₂
No.1	1.0501	0.1941
No.2	0.9532	0.2147
No.3	0.9837	0.1944
No.4	1.0793	0.1993
No.5	1.0353	0.1881
No.6	0.9519	0.2041
No.7	0.5929	0.1811

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图9

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图9 在干摩擦及石蜡润滑条件下钽基涂层磨损率随喷涂工艺的变化

Fig.9 Variations of wear rate of Ta-based coatings under unlubricated and paraffin lubricated conditions with spraying power (a), Ar flow rate (b), and spraying mode (c), respectively

油润滑下各涂层的摩擦系数及磨损率随工艺因素的变化均呈现较明显的规律性。由摩擦系数量级及磨损形貌等推知，此时为边界润滑状态，具有较高硬度的涂层(No.3、No.5和No.7)在同系列涂层中既具有相对最低的平均摩擦系数，也展现相对最低的磨损率(表3、图7~图9)。采用间断喷涂的No.7涂层具有相对较低的氧化物含量和较致密的微观结构，体现出最佳的综合机械性能。该涂层在干摩擦和油润滑下都表现优异的抗磨减摩性能，其摩擦系数和磨损率均达到所有涂层样品的最低值(图8和图9)。

综合上述，其他工艺参数不变时，等离子喷涂制备钽基涂层的最佳工艺区间(如最佳喷涂功率范围或最佳主气流量范围)相对较窄；各工艺因素(如喷涂功率范围与主气流量等)的合理组配有利于获得具有更优性能的涂层(如No.3、No.5和No.7涂层)，因此适合于获得优质涂层的工艺条件组合往往不只一套，它可具有多种组配方式；采用间断喷涂有利于制备高质量的钽基涂层；除显微硬度外，涂层的晶粒尺寸、点阵畸变和氧化物含量的相对值也可用作控制涂层性能质量的重要指标，而这些指标通过微束XRD技术分析涂层表面并结合计算即可获得。

3 结论

(1) 通过大气等离子喷涂制备了Ta₂O₅原位复合钽基纳米晶涂层，在考察的喷涂工艺范围内，随喷涂功率增大，涂层表面Ta₂O₅的含量呈先减小后增大的变化，而表面α-Ta的晶粒尺寸和点阵畸变则均呈先增大后减小的变化；随Ar气流量增加，涂层表面Ta₂O₅含量总体呈减少趋势，而表面α-Ta的晶粒尺寸及点阵畸变的变化呈负相关性；采用间断喷涂时涂层表面Ta₂O₅含量减少，α-Ta的晶粒尺寸和点阵畸变均略有降低。

(2) 钽基复合涂层的硬度和摩擦磨损性能与其表面微观结构特性呈现显著相关性。涂层性能与其结构特征随工艺因素变化的转折点大体在同一工艺区间附近。除显微硬度外，涂层晶粒尺寸、点阵畸变及氧化物含量相对值可用作质量控制的重要指标。

(3) 在干摩擦下晶粒较大、氧化物较少的涂层(No.3和No.5)抵御硬质陶瓷低速刻划的能力较差；边界润滑状态下硬度较高的涂层(No.3、No.5和No.7)表现出更优的抗磨减摩性能。采用间断喷涂可获得综合摩擦学性能最佳的钽基涂层。

参考文献

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被引期刊影响因子

[1]

Peng

X M

, Xia

C Q

, Zhou

, et al.

Study of arc ion plated Ta-W coating on a titanium alloy

[J]. Surf. Coat. Technol., 2018, 349: 622