WC-CO热喷涂层力学性能与残余应力研究

论文摘要

WC-Co热喷涂涂层技术是国内外的一个研究焦点。WC-Co涂层技术可望成为解决重大装备关键零部件耐磨的关键技术。国内外学者对WC-Co材料热喷涂工艺、涂层组织结构以及常温性能,进行了大量的研究工作。但对WC-Co涂层断裂韧性、残余应力及疲劳性能的研究还很少。因此,有必要对此进行系统、深入的研究,为WC-Co涂层的工程应用提供强有力的技术支持。本论文针对水轮机过流件和关键零部件的力学性能问题,系统地研究了APS和HVOF两种喷涂方法制备的纳米WC-Co、普通WC-Co、WC-12Co以及WC-17Co等涂层力学性能。采用压痕法测量了涂层弹性模量和断裂韧性,利用SEM/BSE等技术分析了压痕致裂纹扩展机理；利用四点弯曲法测量了涂层界面应变能释放率；同时采用X射线衍射法测量了涂层残余应力；采用高频疲劳试验机测量了涂层轴向疲劳,主要得出以下结论：（1）APS喷涂纳米WC-Co涂层硬度比HVOF喷涂纳米WC-Co涂层低402.40HV,约50.39%；纳米WC-Co涂层硬度高于普通WC-Co涂层50.10HV,约4.36%；WC-12Co涂层硬度高于WC-17Co涂层62.40HV,约5.20%；WC-Co涂层硬度沿深度方向呈梯度分布；APS喷涂WC-Co涂层弹性模量比HVOF喷涂WC-Co涂层低125.24,98.42%；纳米WC-Co涂层弹性模量比普通涂层高13.00GPa,约5.43%；WC-12Co涂层弹性模量比WC-17Co涂层高40.90GPa,约16.20%；（2）APS喷涂WC-Co涂层断裂韧性比HVOF喷涂WC-Co涂层低1.97MPa.m1/2,约50.00%；纳米WC-Co涂层断裂韧性比普通涂层高0.61MPa.m1/2,约11.41%；WC-12Co涂层断裂韧性比WC-17Co涂层低0.38 MPa.m1／2,约7.16%；（3）APS和HVOF喷涂WC-Co涂层表面应力都表现为压应力,且HVOF喷涂层残余压应力水平比APS喷涂层高85.50MPa,约61.60%；纳米WC-Co涂层残余压应力水平比普通WC-Co涂层高20.89MPa,约10.27%；WC-12Co涂层残余应力水平低WC-17Co涂层18.67MPa,约9.08%；HVOF喷涂WC-Co涂层残余应力均表现为压应力,表面残余应力值比较集中,残余应力沿表面分布较为平缓,沿着深度方向应力值浮动较大,呈梯度分布。HVOF喷涂WC-Co涂层中各相残余应力大小及状态均不同,WC和W2C相为压应力,而C06W6C相则为拉应力；（4）随着疲劳载荷的增加,纳米WC-12Co涂层疲劳寿命减少；循环载荷作用下,涂层与基体轴向变形不协调,在涂层-基体界面产生较大剪应力,致使45#钢基体纳米WC-12Co涂层失效；载荷作用下,疲劳试样上受较大弯矩,致使试样表面涂层失效,应力陡然增大致使试样断裂。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 工程背景
• 1.2 热喷涂金属陶瓷涂层技术的发展及应用
• 1.2.1 热喷涂金属陶瓷涂层技术的发展
• 1.2.2 热喷涂金属陶瓷涂层技术的应用
• 1.3 国内外热喷涂涂层力学性能研究现状
• 1.3.1 国内外热喷涂涂层常规力学性能研究现状
• 1.3.2 国内外热喷涂涂层断裂韧性研究现状
• 1.3.3 国内外热喷涂涂层疲劳性研究现状
• 1.3.4 国内外热喷涂涂层残余应力研究现状
• 1.4 本论文研究的意义与内容
• 1.4.1 论文研究的意义
• 1.4.2 论文研究内容
• 第2章 试验材料及试验方法
• 2.1 试验材料
• 2.2 热喷涂设备及工艺参数
• 2.2.1 超音速火焰喷涂设备及工艺参数
• 2.2.2 APS喷涂设备及工艺参数
• 2.2.3 WC-Co涂层的制备
• 2.3 WC-Co涂层的力学性能试验
• 2.3.1 WC-Co涂层硬度和弹性模量
• 2.3.2 WC-Co涂层断裂韧性
• 2.3.3 WC-Co涂层残余应力分析
• 2.3.4 WC-Co涂层疲劳分析
• 第3章 WC-Co涂层力学性能研究
• 3.1 WC-Co涂层硬度
• 3.1.1 喷涂方法对WC-Co涂层硬度影响
• 3.1.2 WC颗粒度对WC-Co涂层硬度影响
• 3.1.3 Co含量对WC-Co涂层硬度影响
• 3.1.4 WC-Co涂层硬度值沿厚度方向分布
• 3.2 WC-Co涂层弹性模量
• 3.2.1 喷涂方法对WC-Co涂层的弹性模量影响
• 3.2.2 WC颗粒度对WC-Co涂层弹性模量影响
• 3.2.3 Co含量对WC-Co涂层弹性模量影响
• 3.3 WC-Co涂层断裂韧性
• 3.3.1 喷涂方法对WC-Co涂层断裂韧性影响
• 3.3.2 WC颗粒度对WC-Co涂层断裂韧性影响
• 3.3.3 Co含量对WC-Co涂层断裂韧性影响
• 3.4 WC-Co涂层断裂机理分析
• 3.5 WC-Co涂层界面断裂韧性
• 3.5.1 WC颗粒度对WC-Co涂层界面断裂韧性影响
• 3.5.2 Co含量对纳米WC-Co涂层界面断裂韧性影响
• 3.5.3 WC-Co涂层界面断裂分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 WC-Co涂层残余应力研究
• 4.1 WC-Co涂层残余应力形成机理
• 4.2 残余应力导致的涂层典型失效形式
• 4.3 WC-Co涂层表面残余应力
• 4.3.1 喷涂方法对WC-Co涂层表面残余应力影响
• 4.3.2 WC颗粒度对WC-Co涂层残余应力影响
• 4.3.3 Co含量对WC-Co涂层表面残余应力影响
• 4.4 WC-Co涂层残余应力分布
• 4.4.1 WC-Co涂层残余应力表面分布
• 4.4.2 WC-Co涂层应力沿深度方向分布
• 4.5 WC-Co涂层中各相残余应力分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 WC-CO涂层疲劳试验初探
• 5.1 载荷对纳米WC-12Co涂层疲劳性能影响
• 5.2 疲劳试样断口形貌分析
• 5.3 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文