314 工程科学学报，第43卷，第3期 功率在28kW时制备的非晶合金涂层和EQ70船 步提高其耐磨性.在此研究的基础上，研究人员对 用钢.这是由于涂层的磨损机制为分层磨损伴随 不同工况下非晶合金涂层的摩擦行为及摩擦磨损 严重的腐蚀破坏，因此在腐蚀工作环境下涂层致 机制进行系统地研究.Liang等利用超音速火焰喷 密性和耐蚀性的提高决定了耐磨性的提升 涂制备了一种Fe43Cr2oMo1oW4C1sB6Y2非晶合金涂 层，并对比了其在真空(Vac.)和大气(Air)2种环 6 3.5%Nacl solution 0.6 E070 Sliding time:20 min 28.0kW 境下的高温摩擦学性能.如图6所示，涂层的磨损 Normal load:60N 0.5 -31.5kW Sliding speed:25 mm's 35.0kW 率均显著小于在真空环境下，当温度从293升高到 38.5kW 0.4 EQ70 42.0kW 673K时，涂层的磨损率从2.71×106降低到1.44× 106mm3N1m,而在大气环境下，当温度为673K 0.3 时，涂层的磨损率为6.43×106mm3N1m.研究表 3 0.2 300 600 900 1200 明，涂层在真空中表现了极佳的高温耐磨性，而在大气 Sliding time/s 28.0kW 环境下，涂层表现出于真空环境下不同的磨损机制 31.5kW35.0kW38.5k 42.0kW 20 Fe-based AC The tested samples 15 图4不同条件下实验样品的磨损率和摩擦系数 Fig.4 Wear rates and friction coefficients of the tested samplest 10 上述研究表明，通过调节工艺参数可以提高 非晶合金的耐磨性，而Cheng等利用高速电弧 喷涂制备了一种FεBSiNb涂层，并研究了不同热 处理温度对非晶合金涂层耐磨性的影响，如图5 293 K,vac. 673 K,vac. 673 K,air Experimental conditions 所示.研究表明，随热处理温度升高，涂层的磨损 图6不同摩擦学条件下铁基非晶合金涂层和基体的磨损率习 量显著下降，硬度与弹性模量比值HE增大，即材 Fig.6 Wear rates of Fe-based amorphous coatings and the reference 料的承载能力提高.这是由于非晶合金涂层在经 316Lcrystalline steels under various sliding conditions 过热处理后析出纳米晶相F©23B6,起到了弥散强化 如图7所示在真空环境中，层间在摩擦力的切 的作用，而且析出的其他晶相起到了固溶强化的 向作用下产生了裂纹，而后裂纹扩展并形成碎片 作用，涂层的硬度和弹性均有显著提高，因此耐磨 脱落，摩擦过程为典型的分层磨损和粘着磨损.而 性随退火温度的升高而提高，在650℃下退火，涂 在大气环境中，高温下层间迅速氧化，而后氧化物 层表现出最好的耐磨性 形成碎片脱落，随之涂层继续氧化，上述过程循环 13 往复，摩擦过程分层、粘着磨损并伴随着严重的氧 12 As-sprayed 化磨损，磨损量显著大于真空环境 11 上述研究表明，不同的摩擦环境对非晶合金 10 涂层耐磨性有显著的影响，而Lⅰ等B利用爆炸喷 9 500℃· 550℃ 涂制备了一种FeCrMoCB非晶合金涂层，并研究 8 了不同的载荷和滑动速度对涂层耐磨性的影响 600℃ 研究表明涂层的磨损率对于滑动速度的敏感性大 n650℃ 6 于载荷重量，在低速滑动(0.1~0.5ms)下，磨损 0.0740.0760.0780.080 0.0820.0840.086 率较低且稳定，在高速滑动(0.5~1ms)下，磨损 HE:ratio 率呈线性升高.磨损机理如图8所示，在低速滑动 图5不同热处理温度下涂层磨损量与H川E,的关系四 时涂层表面产生氧化膜和少量的纳米晶相，因此 Fig.5 Relationship between the wear loss and the HE,ratio for the 硬度提高，耐磨性较好.在高速滑动时，涂层表面 coatinglz 结晶严重且产生了较多的脆性氧化物，涂层中裂 上述研究表明非品合金涂层具有良好的耐磨 纹扩展加剧，形成氧化磨损和分层磨损结合的摩 性，且可以通过调节工艺参数和涂层热处理进一 擦机制，因此磨损率显著提升功率在 28 kW 时制备的非晶合金涂层和 EQ70 船 用钢. 这是由于涂层的磨损机制为分层磨损伴随 严重的腐蚀破坏，因此在腐蚀工作环境下涂层致 密性和耐蚀性的提高决定了耐磨性的提升. 6 5 EQ 70 EQ 70 28.0 kW 28.0 kW 31.5 kW 35.0 kW 38.5 kW 42.0 kW 0.6 0.5 0.4 0.3 Coefficient of friction 0.2 0 300 600 Sliding time/s 900 1200 31.5 kW 35.0 kW 38.5 kW 42.0 kW 4 3 2 1 Wear rate/(10−5 mm3·m−1·N−1 ) The tested samples 3.5% Nacl solution Sliding time: 20 min Normal load: 60 N Sliding speed: 25 mm·s−1 图 4    不同条件下实验样品的磨损率和摩擦系数[31] Fig.4    Wear rates and friction coefficients of the tested samples[31] 上述研究表明，通过调节工艺参数可以提高 非晶合金的耐磨性，而 Cheng 等[32] 利用高速电弧 喷涂制备了一种 FeBSiNb 涂层，并研究了不同热 处理温度对非晶合金涂层耐磨性的影响，如图 5 所示. 研究表明，随热处理温度升高，涂层的磨损 量显著下降，硬度与弹性模量比值 H/Er 增大，即材 料的承载能力提高. 这是由于非晶合金涂层在经 过热处理后析出纳米晶相 Fe23B6，起到了弥散强化 的作用，而且析出的其他晶相起到了固溶强化的 作用，涂层的硬度和弹性均有显著提高，因此耐磨 性随退火温度的升高而提高，在 650 ℃ 下退火，涂 层表现出最好的耐磨性. 13 12 11 10 9 8 7 6 5 0.074 0.076 0.078 0.080 H/Er ratio 0.082 0.084 0.086 Wear loss/mg As-sprayed 500 ℃ 550 ℃ 600 ℃ 650 ℃ 图 5    不同热处理温度下涂层磨损量与 H/Er 的关系[32] Fig.5     Relationship  between  the  wear  loss  and  the H/Er ratio  for  the coating[32] 上述研究表明非晶合金涂层具有良好的耐磨 性，且可以通过调节工艺参数和涂层热处理进一 步提高其耐磨性. 在此研究的基础上，研究人员对 不同工况下非晶合金涂层的摩擦行为及摩擦磨损 机制进行系统地研究. Liang 等[33] 利用超音速火焰喷 涂制备了一种 Fe43Cr20Mo10W4C15B6Y2 非晶合金涂 层，并对比了其在真空 (Vac.) 和大气 (Air) 2 种环 境下的高温摩擦学性能. 如图 6 所示，涂层的磨损 率均显著小于在真空环境下，当温度从 293 升高到 673 K 时，涂层的磨损率从 2.71×10−6 降低到 1.44× 10−6 mm3 ·N−1·m−1，而在大气环境下，当温度为 673 K 时，涂层的磨损率为 6.43×10−6 mm3 ·N−1·m−1 . 研究表 明，涂层在真空中表现了极佳的高温耐磨性，而在大气 环境下，涂层表现出于真空环境下不同的磨损机制. 20 15 10 5 0 Wear rate/(10−6 mm3·N−1·m−1 ) Experimental conditions 293 K, vac. 673 K, vac. Fe-based AC 316 L CS 673 K, air 图 6    不同摩擦学条件下铁基非晶合金涂层和基体的磨损率[33] Fig.6     Wear  rates  of  Fe-based  amorphous  coatings  and  the  reference 316L crystalline steels under various sliding conditions[33] 如图 7 所示在真空环境中，层间在摩擦力的切 向作用下产生了裂纹，而后裂纹扩展并形成碎片 脱落，摩擦过程为典型的分层磨损和粘着磨损. 而 在大气环境中，高温下层间迅速氧化，而后氧化物 形成碎片脱落，随之涂层继续氧化，上述过程循环 往复，摩擦过程分层、粘着磨损并伴随着严重的氧 化磨损，磨损量显著大于真空环境. 上述研究表明，不同的摩擦环境对非晶合金 涂层耐磨性有显著的影响，而 Li 等[34] 利用爆炸喷 涂制备了一种 FeCrMoCB 非晶合金涂层，并研究 了不同的载荷和滑动速度对涂层耐磨性的影响. 研究表明涂层的磨损率对于滑动速度的敏感性大 于载荷重量，在低速滑动（0.1～0.5 m·s−1）下，磨损 率较低且稳定，在高速滑动（0.5～1 m·s−1）下，磨损 率呈线性升高. 磨损机理如图 8 所示，在低速滑动 时涂层表面产生氧化膜和少量的纳米晶相，因此 硬度提高，耐磨性较好. 在高速滑动时，涂层表面 结晶严重且产生了较多的脆性氧化物，涂层中裂 纹扩展加剧，形成氧化磨损和分层磨损结合的摩 擦机制，因此磨损率显著提升. · 314 · 工程科学学报，第 43 卷，第 3 期