超音速火焰喷涂金属陶瓷涂层结合强度强化方法的研究

论文摘要

超音速火焰喷涂（HVOF）具有涂层致密及结合强度高等特点。由于涂层与基体的结合强度以及涂层内部粒子间的内聚结合强度对于涂层使用具有重要意义，因而研究提高涂层结合强度的方法对于进一步提高涂层性能和扩大涂层使用范围具有重要价值。本文对典型基体喷砂后的表面粗糙度采用不同表征方法进行了分析和对比，研究了表面粗糙度参量对WC-12Co涂层的结合强度的影响规律，提出了表面粗糙度S对结合强度的影响机制模型，从而探索了通过提高机械结合来提高涂层结合强度的方法；针对Cr3C2-NiCr涂层材料体系，采用添加低熔点Ni基合金的方法制备了复合结构涂层，通过热处理方法使Ni基合金熔化来促进涂层内部粒子间冶金结合的强化，并通过组织结构分析和冲蚀性能评价的方法进行了实验证实。研究了喷砂时的砂料尺寸和喷砂气体压力对表面粗糙度参量的影响规律。结果表明，Ra随气体压力的增大而增大，随砂料尺寸的减小而减小。采用粗糙度仪和激光显微镜两种方法对S进行了对比研究，通过对基体断面进行的电镜分析阐明了激光显微镜的表征结果更为合理，且S随砂料尺寸的减小而减小。对于两种Ra<2μm的低碳钢基体，19-25μm的细粉制备的WC-Co涂层结合强度仍可达到60～80MPa的较高结合强度；而采用30-50μm的粗粉制备的涂层，结合强度仅为40～50MPa的水平，通过提高燃气流量提高粒子速度的方式也未能显著提高涂层结合强度。粒子速度测试结果表明，细粉和粗粉在喷涂条件下的速度分别为437（±89）m／s和580（±143）m／s。基于实验结果初步提出S对涂层结合强度的影响机制模型，在Ra较小的情况下，当S与粉末尺寸相当时能够形成有效的机械结合，从而实现较高的涂层结合强度。在粗糙度Ra更小的较硬不锈钢基体表面喷涂涂层的结合强度也可高达60～100MPa，对所提出的模型进行了实验验证。添加Ni60粉末会降低Cr3C2-NiCr涂层的结合强度，添加的Ni60越多则复合结构涂层的结合强度越低。Ni60与Cr3C2-NiCr粉末的混合粉术喷涂制备的复合结构涂层，经过1080℃热处理后，由于Ni60合金的熔化作用，涂层内部的未结合界面得到显著的强化连接，即涂层内部的冶金结合得到强化。采用90°攻角颗粒冲蚀的方法，揭示了热处理过程使复合结构涂层的耐冲蚀性能得到显著提高，对涂层内部的粒子间冶金结合得到改善进行了实验验证。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.1.1 热喷涂技术及其特点
• 1.1.2 超音速火焰喷涂技术及其特点
• 1.1.3 涂层结合机理
• 1.1.4 涂层结合的影响因素
• 1.2 研究内容
• 1.2.1 问题的提出
• 1.2.2 研究方法及技术路线
• 1.3 研究的目的和意义
• 2 试验材料、设备及方法
• 2.1 试验材料
• 2.1.1 粉末材料
• 2.1.2 基体材料
• 2.2 涂层制备
• 3C₂-NiCr涂层的制备'>2.2.1 WC-12Co涂层和Cr₃C₂-NiCr涂层的制备
• 2.2.2 涂层热处理
• 2.3 基体与涂层的结构与性能的表征
• 2.3.1 基体表面粗糙度的表征
• 2.3.2 涂层组织结构的表征
• 2.3.3 涂层与基体显微硬度的表征
• 2.3.4 涂层结合强度的表征
• 2.4 喷涂粒子速度测量的方法
• 3 表面粗糙度的表征
• 3.1 表面粗糙度的基本评定方法
• 3.2 表面粗糙度的粗糙度仪表征
• 3.3 表面粗糙度的激光显微镜表征
• 3.4 表面粗糙度的表征结果比较分析
• 3.5 本章小结
• 4 表面粗糙度对HVOF喷涂金属陶瓷涂层结合强度的影响
• 4.1 调控Ra和S下涂层与基体的结合强度
• 4.1.1 喷涂工艺参数
• 4.1.2 喷涂材料
• 4.1.3 涂层的结合强度
• 4.2 涂层的典型组织结构
• 4.3 燃气流量对HVOF金属陶瓷涂层结合强度的影响
• 4.3.1 喷涂工艺参数
• 4.3.2 燃气流量对粗粉喷涂层结合强度的影响
• 4.4 S对涂层结合强度的影响机制模型
• 4.5 S对结合强度影响机制模型的实验验证
• 4.6 本章小结
• 5 后热处理对HVOF金属陶瓷涂层结合强度的影响
• 5.1 涂层复合设计
• 5.2 热处理对涂层组织结构的影响
• 5.3 热处理对涂层结合强度的影响
• 5.4 本章小结
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文