等离子喷涂Al2O3与ZrO2及其复合涂层的耐磨性能研究

论文摘要

本文利用大气等离子喷涂技术（APS）在20g钢表面分别制备了NiCoCrAlY，ZrO2，Al2O3以及ZrO2-Al2O3复合涂层，采用X射线衍射（XRD）、电子探针（EPMA）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等检测方法研究了涂层的微观组织结构、表面形貌及耐磨性，并探讨了涂层的耐磨机制。试验表明，等离子喷涂NiCoCrAlY涂层主要由γ-Ni基固溶相、Ni3Al、NiAl相和部分非晶相组成。涂层中存在Ni3Al有利于提高涂层的高温性能，非晶组织分布在晶界处有利于提高涂层的强度。涂层内部存在微晶区域和柱状晶组织，这有利于提高涂层的整体力学性能和抗热震性能。涂层组织呈典型的层状结构，存在少量裂纹和孔隙等缺陷。涂层内部元素分布基本均匀，只有Al元素在喷涂过程中易被优先氧化，在涂层中的片层间形成氧化物膜。涂层与基体之间结合良好。NiCoCrAlY涂层的显微硬度不高，大约378HV0．1，虽然将基体表面硬度提高不少，但耐磨性能还比较差。涂层的磨损机制以片层剥落为主，同时伴随着轻微的犁沟磨损。等离子喷涂ZrO2涂层主要由t’-ZrO2、t-ZrO2和c-ZrO2相组成，t’相具有良好的高温相稳定性，能够保证涂层具有良好的耐高温性能。因为涂层中未熔和半熔颗粒较多，涂层中的孔隙、微裂纹等疏松组织明显多于NiCoCrAlY涂层。涂层内存在层间裂纹，与粘结层结合也不是很好。ZrO2涂层的平均硬度为772 HV0．1，较NiCoCrAlY涂层有较大提高，但是由于疏松组织和层间裂纹较多，涂层的耐磨性能也不够理想。其磨损机制以微观剥落为主，并伴有轻微的犁沟磨损。等离子喷涂Al2O3涂层主要由α-Al2O3，γ-Al2O3和β-Al2O3相组成，其中α-Al2O3为稳定相，γ-Al2O3和β-Al2O3相为亚稳定相。Al2O3颗粒的成形性要好于ZrO2，呈明显的片层结构，但仍可以观察到未熔颗粒和疏松组织。涂层内各层之间结合紧密，存在少量裂纹，涂层与粘结层结合较好。Al2O3涂层硬度是四种涂层中最高的，达到864HV0．1，大大提高了涂层的耐磨性，磨损机制主要是脆性疲劳引起的微观剥落。等离子喷涂复合涂层中相组成比较复杂，既含有α-Al2O3，γ-Al2O3相还含有t’-ZrO2，t-ZrO2和c-ZrO2相以及少量的m相，少量m相的存在对涂层性能是有益的。涂层内部也存在微晶区，有利于提高涂层的综合力学性能。复合涂层可以将Al2O3良好的成形性和高硬度与ZrO2的韧性结合起来，提高涂层的综合性能。涂层表面凹凸不平，但疏松、孔洞等缺陷明显少于ZrO2涂层，涂层中ZrO2和Al2O3以层状交错致密结合，涂层与粘结层之间结合良好。复合涂层平均硬度为783HV0．1，稍高于ZrO2涂层，其耐磨性明显优于ZrO2涂层。复合涂层磨损机制是微观剥落。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 等离子喷涂原理及特点
• 1.3 影响等离子涂层质量的主要工艺参数
• 1.4 等离子喷涂技术发展概况
• 1.4.1 国内外等离子喷涂发展概况
• 1.4.2 等离子喷涂目前存在的问题
• 1.4.3 等离子喷涂技术的发展趋势
• 1.5 热障涂层
• 1.5.1 金属基热障涂层的原理
• 1.5.2 热障涂层各层材料的选择
• 1.5.3 热障涂层存在的主要问题
• 1.5.4 解决措施
• 1.6 本课题的研究内容
• 第二章 实验材料和方法
• 2.1 材料及试样制备
• 2.1.1 实验材料
• 2.1.2 试样的制备
• 2.2 研究方法及技术路线
• 2.3 磨制试样
• 2.4 组织结构分析
• 2.4.1 X射线衍射分析
• 2.4.2 透射电镜分析
• 2.4.3 电子探针分析
• 2.5 性能测试
• 2.5.1 显微硬度
• 2.5.2 磨损试验
• 第三章 等离子喷涂 NiCoCrAlY涂层的组织和性能
• 3.1 等离子喷涂层的相组成
• 3.2 等离子喷涂层的表面形貌
• 3.3 涂层 TEM分析
• 3.4 涂层的截面组织形貌
• 3.5 涂层的显微硬度
• 3.6 涂层的摩擦磨损特性
• 3.7 本章小结
• 2涂层的组织和性能'>第四章 等离子喷涂 ZrO₂涂层的组织和性能
• 4.1 等离子喷涂层的相组成
• 4.2 等离子喷涂层的表面形貌
• 4.3 等离子喷涂层的截面形貌
• 4.4 涂层的显微硬度
• 4.5 涂层的摩擦磨损特性
• 4.6 本章小结
• 2O₃涂层的组织和性能'>第五章 等离子喷涂 Al₂O₃涂层的组织和性能
• 5.1 等离子喷涂层的相组成
• 5.2 等离子喷涂层的表面形貌
• 5.3 涂层截面组织形貌
• 5.4 涂层的显微硬度
• 5.5 涂层的摩擦磨损特性
• 5.6 本章小结
• 2-Al₂O₃复合涂层的组织和性能'>第六章 等离子喷涂ZrO₂-Al₂O₃复合涂层的组织和性能
• 6.1 等离子喷涂层的相组成
• 6.2 等离子喷涂层的表面形貌
• 6.3 涂层 TEM分析
• 6.4 等离子喷涂层的截面形貌
• 6.5 涂层的显微硬度
• 6.6 涂层的摩擦磨损特性
• 6.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表