随着国民经济的高速发展,轨道交通正向高速、重载的方向发展。机车零部件的服役状态更加恶劣,失效速度加快,零部件使用寿命缩短。因此,对机车零部件的性能提出了更高要求。机车气缸套和活塞环是内燃机中最重要的摩擦副,由于磨损和穴蚀,缸套需经常更换。采用等离子喷涂技术在缸套内壁喷涂耐磨涂层,实现缸套的绿色再制造,是一项绿色环保的制造技术。本文在国内外气缸套再制造技术调研和分析的基础上,提出通过热喷涂技术对废旧气缸套实施再制造,提高缸套表面摩擦学性能,并研究其中涉及的技术问题。以NiCrBSi材料为基材,研究Al2O3和Mo材料的含量对涂层结构与性能的影响,并对所得涂层进行金相组织、相结构、显微硬度和摩擦学性能等方面的表征,比较Mo-NiCrBSi涂层在干、油以及边界润滑条件下的摩擦学性能,分析摩擦磨损机理。首先,利用等离子喷涂方法在304不锈钢基体上制备NiCrBSi涂层,涂层主要由γ-Ni、CrB、Cr2B、Ni3B等相组成,涂层存在非晶组织和晶体位错等缺陷。等离子喷涂粒子熔化较好,观察到熔融粒子在涂层内部因撞击铺展而形成的层状堆积,测量结果显示扁平粒子的厚度在5-10 μm之间,涂层孔隙率为1.72%,显微硬度约为850 HV。然后,利用胶粘混粉方式对Al2O3与NiCrBSi两种粉末进行混合,利用机械混粉方式对Mo与NiCrBSi粉末进行混合,并利用等离子喷涂方法制备Al2O3-NiCrBSi和Mo-NiCrBSi复合涂层,分析了 Al2O3和Mo含量对涂层组织结构与摩擦学性能的影响规律,基于涂层往复摩擦实验的磨痕形貌对摩擦磨损机理进行了分析。结果表明,Al2O3-NiCrBSi复合涂层由Al2O3增强体与NiCrBSi基体组成。涂层主要成分是α-Al2O3,少量β-Al2O3,以及NiCrBSi的非晶组织。Al2O3增强体含量对涂层的组织结构及耐磨性能有明显影响。Al2O3含量较少时,无法在涂层中的得到足够的强化相;Al2O3含量过多时,虽然涂层硬度较大,但是脆性也很大,没有足够的NiCrBSi固定Al2O3,在摩擦过程中易整片脱落并形成磨粒。Mo-NiCrBSi涂层中Mo颗粒熔化和铺展较好,呈现带状的扁平化粒子形貌,均匀分布在涂层中。涂层中出现了 Ni3B、Cr2B、Cr3C2等硬质相,非晶宽化现象也比较明显。随着Mo含量增加,涂层硬度逐渐降低。摩擦学测试结果显示:干摩擦条件下,涂层与对磨球在摩擦过程中形成MoO2润滑层,可降低摩擦系数并抑制磨粒的形成。干摩擦条件下,Mo-NiCrBSi涂层中的主要磨损机制是粘着磨损,Mo-NiCrBSi耐磨性能要优于Al2O3-NiCrBSi涂层。最后,针对Mo-NiCrBSi涂层开展了油润滑摩擦试验,Mo-NiCrBSi涂层在油润滑条件下摩擦系数显著下降,稳定性明显得到改善,且Mo含量对降低涂层摩擦系数有显著作用。EDS结果表明,机油摩擦过后的磨痕表面有0.34 wt%的S元素。相反,在相同条件下的非磨表面的S含量为0,表明Mo与机油发生反应生成MoS2润滑膜。随着Mo含量的增加,颗粒剥落情况越来越少,磨痕越来越浅。当Mo含量为30 wt%时,Mo-NiCrBSi涂层的磨损量仅为纯NiCrBSi涂层的4%。边界润滑条件下Mo-NiCrBSi涂层的摩擦系数曲线主要由1)最初的油润滑阶段;2)边界润滑状态;3)近乎进入干摩擦状态;4)干摩擦状态,共4个部分组成。随着Mo含量的增加,摩擦系数突变时间由NiCrBSi涂层的50分钟增加到30%Mo-NiCrBSi涂层的660分钟,表明Mo能有效延长涂层由边界润滑进入干摩擦状态的时间。