铁基非晶合金涂层的等离子喷涂工艺及其组织性能研究

论文摘要

本文采用等离子喷涂技术,制备了含Fe、Cr、Mo、Ni、P、Si、B的Fe基非晶合金涂层。利用显微硬度计、金相显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪、电化学工作站、差示扫描量热仪、磨损试验机等分析测试设备对涂层的组织结构与性能进行了研究。以涂层的孔隙率和显微硬度为指标,研究了喷涂工艺参数对涂层性能的影响规律,并在此基础上设计正交试验,获得最优工艺参数为:喷涂电流为550A,主气流量为40L/min,喷涂电压为60V,喷涂距离为100mm,对应的涂层孔隙率和显微硬度分别为0.89%和831.9 HV0.1,获得了具有极高非晶化程度的合金涂层,此时涂层的组织结构均匀,由变形扁平粒子、熔化的颗粒和未熔化的颗粒以及孔隙、裂纹等缺陷组成的波浪状多层组织,涂层与基体之间以机械结合为主。非晶合金涂层的晶化温度区间为552℃620℃,涂层在550℃以下进行热处理未发生晶化转变,在550℃800℃热处理时,涂层逐渐晶化,首先析出α-Fe,然后析出Ni3P、Cr1.2Ni0.8P和α-Fe,至800℃时完全晶化为FeNi2P、Fe3B0.8P0.18和Fe-Ni固溶体,晶粒长大。涂层截面显微硬度在不同热处理条件下的统计分析表明,涂层显微硬度呈正态和对数正态分布,在500℃以下热处理时,涂层的硬度值随保温时间的延长和温度的升高而呈上升趋势。涂层在500℃保温2h后的硬度最大达879HV0.1。Fe基非晶合金涂层在1mol/L的H2SO4、10%NaOH和3.5%NaCl溶液中都经历了活性溶解-钝化-过钝化的过程,涂层在三种腐蚀介质中的腐蚀电流密度icorr和钝化电流密度密度ip均低于不锈钢,涂层经抛光后的腐蚀速度大大降低。涂层在NaOH中的耐腐蚀性能最强,其次为NaCl,在HCl中的耐腐蚀性能最差。热处理对涂层的耐腐蚀性能影响不大。涂层显微硬度随压入载荷的增加而降低,存在压痕尺寸效应,涂层断裂韧度KIC的平均值为2.9487 MPa·m1/2,优于铁基块体非晶;非晶合金涂层的耐磨损性能较好。基于以上分析表明,本试验采用等离子喷涂工艺,在正交试验分析的基础上制备了致密、硬度高、耐腐蚀耐磨损性能良好的Fe基非晶合金涂层。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 热喷涂的原理与发展
• 1.1.1 热喷涂技术的原理
• 1.1.2 热喷涂技术的应用与发展
• 1.2 等离子喷涂
• 1.2.1 等离子喷涂过程
• 1.2.2 等离子喷涂的应用范围
• 1.2.3 等离子喷涂存在的问题与发展趋势
• 1.3 非晶合金概述
• 1.3.1 非晶合金的发展历史
• 1.3.2 非晶合金的形成机制
• 1.3.3 非晶合金的性能和应用
• 1.4 热喷涂Fe基非晶合金
• 1.5 本课题的选题背景、意义及主要研究内容
• 第二章 试验条件及原理
• 2.1 试验材料的选择
• 2.2 Fe基非晶合金涂层的制备
• 2.2.1 等离子喷涂设备
• 2.2.2 基体的粗化处理
• 2.2.3 基体的预热处理
• 2.3 Fe基非晶合金涂层组织结构和性能的测试方法
• 2.3.1 涂层的组织结构观察方法
• 2.3.2 涂层孔隙率的计算
• 2.3.3 涂层显微硬度的测量
• 2.3.4 涂层热稳定性的分析
• 2.3.5 涂层耐腐蚀性能的全浸泡试验
• 2.3.6 涂层耐腐蚀性能的电化学测试
• 2.3.7 涂层的耐磨损性能测试
• 第三章 Fe基非晶合金涂层的等离子喷涂工艺
• 3.1 工艺参数对涂层孔隙率的影响
• 3.1.1 涂层中孔隙的形成机理
• 3.1.2 喷涂距离对涂层孔隙率的影响
• 3.1.3 喷涂功率对涂层孔隙率的影响
• 3.1.4 工作气体对涂层孔隙率的影响
• 3.1.5 孔隙的分布
• 3.2 Fe基非晶合金涂层的显微硬度分析
• 3.2.1 喷涂参数对涂层显微硬度的影响
• 3.2.2 涂层与基体结合面附件显微硬度的变化
• 3.2.3 涂层表面和截面显微硬度的各向异性
• 3.3 喷涂工艺参数的正交试验
• 3.3.1 工艺参数的正交设计
• 3.3.2 正交试验结果分析
• 3.3.3 优化工艺参数的验证
• 3.4 本章小节
• 第四章 Fe基非晶合金涂层的微观组织结构和后热处理
• 4.1 涂层的微观组织分析
• 4.1.1 涂层的表面形貌分析
• 4.1.2 涂层的截面组织分析
• 4.1.3 涂层与基体的结合
• 4.2 涂层的相组成分析
• 4.3 涂层的后热处理
• 4.3.1 涂层的差热分析
• 4.3.2 热处理对涂层组织结构的影响
• 4.3.3 热处理对涂层显微硬度的影响
• 4.4 本章小节
• 第五章 Fe基非晶合金涂层的耐腐蚀和机械性能研究
• 5.1 Fe基非晶合金涂层的耐腐蚀性能
• 5.1.1 非晶合金的腐蚀特性
• 5.1.2 非晶合金涂层的腐蚀电流密度
• 5.1.3 非晶合金涂层在不同腐蚀液中的电化学行为
• 5.1.4 热处理对非晶合金涂层电化学特性的影响
• 5.1.5 涂层的浸泡试验结果
• 5.2 Fe基非晶合金涂层的断裂韧性
• 5.3 涂层的耐磨损性能
• 5.4 本章小节
• 第六章 全文结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢