纳米陶瓷—金属基体衬瓷技术的研究

论文摘要

金属-陶瓷梯度材料可以缓解衬瓷层的应力集中,提高衬瓷层的结合力和抗热冲击性能,以Fe,Ni,Al复合合金粉和纳米AlO3粉为主要原料,根据复合合金粉中各组分成分配比的不同,通过试验比较优选出最佳的无压气氛保护烧结工艺参数。采用肉眼观察、带能谱的扫描电镜（SEM/EDS）和XRD法对制备的梯度衬瓷层进行了显微组织和相结构分析,结果表明:FeNiAl/AlO3梯度衬瓷层呈片层状结构,从基体至衬瓷层表面,沿厚度方向,AlO3含量逐渐增多,FeNiAl合金产物的含量逐渐减少,表现出成分的梯度化分布趋势,梯度衬瓷层的组织表现出宏观的不均匀性和微观连续性的分布特征。另外,衬瓷层和45#钢基体的界面处存在衬瓷层中的元素和钢基体中的铁发生的化学反应,形成了新相FeAl2O4,同时在界面区域存在元素的互扩散现象。采用循环加热法和滑动磨损法,对衬瓷层的抗热震性能和耐磨损性能进行了研究,分析了衬瓷层性能的变化规律,结果表明:沿衬瓷层厚度方向由底层到表面,随AlO3含量的增加显微硬度增高,但在近表层的AlO3成分区硬度有所下降,在AlO3含量约60%的区域显微硬度最高。梯度衬瓷层的抗热震性能较好,FeAlNi过渡底层的引入和成分梯度化对衬瓷层的抗热震能力提高有一定作用。热震失效方式主要是衬瓷层脱落,随热循环次数增加,结合强度逐渐丧失,最终损伤方式为沿界面处的片状脱落。梯度衬瓷层耐磨性能较好,使得基体45#钢的耐磨性提高5-7倍,FeAlNi/AlO3梯度涂层在不同载荷下表现出不同的摩擦行为。载荷越大,磨损率越高,衬瓷层耐磨性越差。通过对磨损表面的SEM分析,涂层沿厚度方向成分的梯度变化,使涂层随着摩擦过程的进行,主要表现为颗粒脱落、裂纹萌生与扩展的摩擦磨损机制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 陶瓷行业的发展
• 1.2 陶瓷涂层的发展及应用
• 1.3 陶瓷涂层的失效原因
• 1.4 金属/陶瓷梯度材料
• 1.4.1 功能梯度材料概述
• 1.4.2 功能梯度材料体系的设计
• 1.4.3 功能梯度材料的制备技术
• 1.4.4 自熔性合金粉
• 2O₃陶瓷粉末'>1.4.5 Al₂O₃陶瓷粉末
• 2O₃梯度材料概述'>1.4.6 FeNiAl/Al₂O₃梯度材料概述
• 1.5 金属—陶瓷材料的组织成分分析
• 1.6 本课题研究的目的和内容
• 1.6.1 研究目的
• 1.6.2 研究内容
• 1.6.3 应用前景和创新点
• 第二章 实验方法及设备
• 2.1 实验原料
• 2.1.1 衬瓷层材料
• 2.1.2 基体材料
• 2.2 成分设计
• 2.2.1 合金粉成分设计
• 2.2.2 复合粉的配方
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 实验技术路线
• 2.3.2 实验过程
• 2.3.3 性能检测方法
• 2.4 实验设备
• 2.4.1 合金粉合成设备
• 2.4.2 无压烧结设备
• 2.5 检测设备
• 2.5.1 性能检测设备
• 2.5.2 组织结构检测设备
• 第三章 实验结果与讨论
• 3.1 样品的外观
• 3.1.1 样品外观检测结果
• 3.1.2 复合粉成分对样品性能的影响
• 3.1.3 烧结工艺对样品微观组织结构的影响
• 3.2 衬瓷层抗热震结果及分析
• 3.2.1 衬瓷层抗热震的实验结果
• 3.2.2 界面结构对抗热震性能的影响
• 3.2.3 界面成分对抗热震性能的影响
• 3.3 衬瓷层摩擦磨损性能
• 3.3.1 衬瓷层耐磨性实验结果
• 3.3.2 界面结构对耐磨性的影响
• 3.3.3 衬瓷层成分对耐磨性能的影响
• 第四章 结论
• 参考文献
• 在校学术成果
• 致谢