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随着发动机制造业的高速发展,柴油机作为机械核心动力装置已得到广泛的应用,而气缸套是柴油发动机的重要零部件之一,常处于高温、高压和润滑不良条件下工作,内表面与活塞配副时产生的剧烈摩擦作用导致缸套易磨损失效。因此提高气缸套耐磨性,降低柴油机使用与维护成本至关重要,等离子喷涂技术作为一种重要的表面防护技术,对延长气缸套的使用寿命具有十分重要的意义。本文通过对国内外气缸套内壁涂层研究应用及存在的问题进行调研,提出采用大气等离子喷涂技术在基体上制备NiCrBSi-YSZ、Al2O3/13%TiO2(AT13)以及A12O3/13%TiO2-Mo(AT13-Mo)涂层,对涂层显微硬度,微观结构,相成分进行分析,针对气缸套内壁在实际服役时的三种工作状态,即油润滑、边界润滑以及干摩擦条件下的涂层摩擦学性能进行研究,并对其磨损机理进行分析,以制备合适的柴油机气缸内壁涂层。实验结果表明,采用等离子喷涂技术制备的NiCrBSi基涂层以及AT13基涂层沉积效率及颗粒扁平化程度较高,掺杂粉末颗粒与基体涂层结合良好,涂层孔隙率较低。NiCrBSi基涂层中NiCrBSi与YSZ交替沉积于基体表面,层状结构显著,且随YSZ含量的升高,YSZ层厚度增加,同时涂层硬度越高,其相结构主要由ZrO2、γ-Ni和(ZrO2)0.94(Y2O3)0.06)0.943相构成。AT13基涂层孔隙率高于NiCrBSi基涂层,这是由于陶瓷颗粒熔点高且沉积效率低造成的,其中AT13及AT13-Mo涂层中均存在γ-Al2O3相、α-Al2O3相和TixOy相,此外AT13-Mo涂层40°衍射角处还检测到强Mo峰,说明Mo有效复合到AT13-Mo涂层中,AT13硬度高于AT13-Mo涂层,最高值达到862.2 HV。摩擦磨损工况对涂层摩擦系数及磨损率具有重要影响。干摩擦条件下,NiCrBSi-YSZ复合涂层摩擦系数稳定在0.6～0.7之间,研究最佳掺杂量发现NiCrBSi-20%YSZ的复合涂层磨损率最低,为2.77×10-5 mm3/(N·m),摩擦副表面生成的摩擦膜起到良好的减磨耐磨作用,磨损机制主要为磨粒磨损。配副的选择和载荷大小对AT13基涂层干摩擦状况影响显著,结果表明同种性质材料在配副时易发生粘着磨损,磨损破坏更为恶劣,AT13涂层与钨钢球配副和AT13-Mo涂层与氮化硅球配副时均表现出较优的耐磨性能。油润滑条件下,涂层摩擦系数曲线较低且更为稳定。NiCrBSi-YSZ复合涂层摩擦系数随YSZ掺杂量的升高而增大,四种涂层摩擦系数稳定在0.115～0.135之间,其中掺杂10%YSZ的复合涂层磨损率最低,为4.86×10-8mm3/(N·m)。AT13-Mo涂层摩擦系数低于AT13涂层,分别为0.123和0.127,磨损率分别为2.28×10-8mm3/(N·m)和5.38×10-8 mm3/(N·m),复合涂层在油润滑下摩擦性能更佳,这与涂层中掺杂的Mo合金有关。涂层磨损机制主要为磨粒磨损。边界润滑条件下,AT13基涂层经历了油润滑-干摩擦的转变过程,而AT13-Mo涂层与AT13涂层相比,由边界润滑转变为干摩擦状态时间更长,耐磨性能更佳,这是由于摩擦生热使复合涂层中Mo元素与润滑油中S元素化学反应生成自润滑膜MoS2,润滑膜可有效承载部分载荷。此外,喷涂过程中生成的MoO2以及磨痕表面形成的油膜,协同提高了涂层耐磨性能。涂层磨损机制主要为粘着磨损和磨粒磨损。