HVOF喷涂NiCrAlY与NiCoCrAlYHfSi涂层的宽温域摩擦学行为及合金元素作用机制

本文系统研究了HVOF（超音速火焰喷涂）技术制备的NiCrAlY和NiCoCrAlYHfSi涂层的微观结构、力学性能及宽温域（25-800°C）摩擦学行为。研究发现，掺杂Co/Hf/Si元素可显著提升涂层致密性（孔隙率<2%）和高温机械性能，并通过原位生成致密釉质层（含Al2O3/Cr2O3等氧化物）实现摩擦系数（COF）随温度升高而降低的优异特性，为航空发动机关键部件表面防护提供理论支撑。

　　

亮点

本研究通过HVOF喷涂技术成功制备出具有工程应用潜力的NiCrAlY和NiCoCrAlYHfSi涂层，揭示了合金元素对涂层高温摩擦学行为的调控机制。

涂层微观结构

图3显示两种涂层的SEM形貌呈现典型的HVOF喷涂特征：表面存在熔融颗粒飞溅形成的扁平状喷溅层（splats），截面显示致密层状结构。涂层主要包含γ-Ni、β-NiAl、γ′-Ni₃Al相及少量α-Al₂O₃，XRD衍射峰展宽现象表明高速沉积过程中存在晶体变形和不完全生长。

力学性能

NiCoCrAlYHfSi涂层在室温下表现更优（硬度578±17.83 HV_2000g，弹性模量187.39 GPa），但NiCrAlY涂层在600°C以下保持更高硬度。这种"温度依赖性力学响应"与Co/Hf/Si元素对晶界强化和位错运动的抑制作用密切相关。

摩擦学行为

随着温度升高，两种涂层的摩擦系数（COF）均呈下降趋势。NiCoCrAlYHfSi涂层在800°C时磨损率最低，归因于摩擦过程中形成的连续釉质层（含Al₂O₃、Cr₂O₃、NiCr₂O₄等氧化物）。有趣的是，200°C时NiCrAlY反而表现出更优的耐磨性，这可能与中间温度区间氧化膜的不完全形成有关。

结论

HVOF喷涂制备的NiCoCrAlYHfSi涂层通过多元合金化设计，实现了宽温域（特别是800°C）下的优异摩擦学性能，其核心机制在于高温摩擦诱导生成的自润滑釉质层。该研究为发展新一代航空发动机耐磨涂层提供了重要实验依据。