电弧喷涂耐磨涂层材料体系及摩擦学机理研究进展

论文概要

本文系统梳理了电弧喷涂耐磨涂层的材料体系与摩擦学机理。材料方面分为硬质合金涂层（铁基、镍基、钼基等）和复合涂层（金属/陶瓷、非晶/纳米晶）；机理方面涵盖粘着、磨粒、疲劳、氧化等磨损形式及非晶、硬质相、细晶三种强化机制。最后指出氧化物夹杂等挑战，并对等离子增强高速电弧喷涂（PE-HVAS）进行展望。

知识结构

一、材料体系

1. 硬质合金耐磨涂层

• 铁基涂层：成本低、硬度高、耐磨性好，以磨粒磨损和粘着磨损为主，强化机制为非晶+硬质相。
• 镍基涂层：结合强度高，高铬含量可形成致密Cr₂O₃氧化膜，提升高温耐磨性；磨损机制包括粘着和氧化磨损。
• 其他合金（钼基等）：具有自润滑特性（高温生成MoO₂、MoO₃或MoS₂），适合高温或边界润滑工况。

2. 复合耐磨涂层

• 金属/陶瓷复合涂层：以Al₂O₃、SiC、TiC等陶瓷颗粒为硬质相，弥散分布提升硬度与抗变形能力；但易引入孔隙，结合强度待优化。磨损以磨粒和粘着磨损为主，强化机制为硬质相强化。
• 非晶/纳米晶涂层：利用高速电弧喷涂的高冷却速率（10⁵ K/s）形成非晶结构，兼具高强度、高硬度和优异耐磨性；磨损形式为塑性切削和疲劳磨损，强化机制为非晶强化与细晶强化。

二、摩擦学机理

1. 磨损过程三阶段

• 跑合阶段：表面微凸体快速磨平，磨损速率高。
• 稳定磨损阶段：接触面积增大，磨损率低且平稳。
• 剧烈磨损阶段：涂层失效，磨损急剧加速。

2. 主要磨损形式

• 粘着磨损：局部高温导致材料转移，呈鱼鳞状剥落。
• 磨粒磨损：硬质颗粒或凸起刮擦表面形成犁沟。
• 疲劳磨损：交变应力引发裂纹扩展，导致剥落坑。
• 氧化/腐蚀磨损：高温下氧化膜生成与破裂，协同作用加速失效。

3. 强化机制

• 非晶强化：无位错、无晶界缺陷，显著提高硬度与耐磨性；但摩擦热可能诱发晶化。
• 硬质相强化：弥散分布的陶瓷颗粒阻碍位错运动与裂纹扩展，提升抗变形能力。
• 细晶强化：晶粒细化增加位错密度与晶界阻碍，提高强度与硬度；纳米晶涂层耐磨性可达常规涂层的2~5倍。

三、技术展望

• 等离子增强高速电弧喷涂（PE-HVAS）：引入等离子二次加热，提高熔滴温度与速度，降低氧化物夹杂，提升涂层致密度与结合强度，有望突破传统电弧喷涂的质量瓶颈。
• 后处理工艺：热处理、激光重熔、封孔处理可进一步消除缺陷、强化界面结合。

引用信息

王盛，刘明，张志强，等. 电弧喷涂耐磨涂层材料体系及摩擦学机理研究进展[J]. 中国表面工程，2026，39(4). Doi：10.11933/CSE2026317.

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