电热爆炸定向喷涂微纳米晶涂层摩擦学性能及其机理研究

论文摘要

磨损是材料失效的主要形式之一，因磨损造成的经济损失是非常惊人的，而且很多情况下是不可避免的。磨损一般发生在材料表面，因此普遍采用表面涂层的方法来减少材料的磨损。 本文采用新开发的电热爆炸定向喷涂技术制备了WC／Co金属陶瓷涂层和3Cr13不锈钢涂层；同时采用改进的高速电弧喷涂技术制备了3Cr13不锈钢涂层。利用SEM、TEM、EDAX、XRD及Nano-indentation等技术，研究了涂层的微观组织形貌、相结构、成分和纳米力学性能等；同时研究了涂层的滑动磨损性能和冲蚀磨损性能及其机理；借助数值计算和理论模拟分析了电热爆炸定向喷涂粒子沉积过程中的界面温度变化规律，得出了最大熔化深度和凝固速度等参数，并结合快速凝固理论分析了这些参数对涂层微观组织形成的影响，并对该结果进行了实验验证；在对某型重载车辆两种关键零件磨损机理分析的基础上，采取电热爆炸定向喷涂方法对其表面进行了修复和再制造，并装备到重载车辆上进行了实际应用研究。 组织结构分析结果表明：电热爆炸定向喷涂WC／Co和3Cr13涂层组织结构均由微纳米晶组成，涂层均匀致密，无层状结构，其与基体主要是冶金结合，硬度和弹性模量较高；而高速电弧喷涂3Cr13涂层较致密，具有明显的层状结构，与基体主要为机械结合。 耐磨性能研究结果表明：电热爆炸定向喷涂WC／Co金属陶瓷耐磨性能优异；电热爆炸定向喷涂3Cr13涂层的耐磨性比高速电弧喷涂3Cr13涂层的高。由磨损机理分析可知：电热爆炸定向喷涂WC／Co和3Cr13涂层优良的耐磨性是由其细晶强化效应、好的冶金结合以及“硬质耐磨相+软质基体相”特征决定的。 数值计算和理论模拟得出：电热爆炸定向喷涂粒子沉积过程中，沉积粒子的冷速很高，凝固速度很快；而高冷速有利于沉积粒子形成细晶组织，还可能形成非晶相；此外，快速凝固有利于形成柱状晶和等轴晶，且晶粒长大过程中易发生元素的偏析现象。这些结果均得到了实验验证。 重载车辆实车考核结果表明：电热爆炸定向喷涂层明显提高了关键零件

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 耐磨表面涂层的研究现状
• 1.2.1 材料的磨损问题
• 1.2.2 热喷涂层的耐磨性
• 1.3 高速电弧喷涂技术研究进展
• 1.4 电热爆炸定向喷涂技术研究进展
• 1.4.1 电爆炸技术
• 1.4.2 电热爆炸喷涂技术
• 1.5 热喷涂涂层形成过程的研究概述
• 1.5.1 基体熔化与再凝固
• 1.5.2 快速凝固
• 1.5.3 组织形成
• 1.6 研究目的及主要研究内容
• 第2章 材料与试验方法
• 2.1 涂层的选材与制备
• 2.1.1 涂层的选材
• 2.1.2 涂层的制备
• 2.2 涂层的形成过程研究
• 2.2.1 喷涂粒子特征研究
• 2.2.2 粒子沉积形貌研究
• 2.2.3 界面结合特征研究
• 2.3 涂层的滑动磨损特性测试及分析
• 2.3.1 滑动磨损性能试验
• 2.3.2 磨损表面分析
• 2.3.3 磨屑分析
• 2.4 涂层的冲蚀磨损特性测试及分析
• 2.4.1 冲蚀磨损性能试验
• 2.4.2 冲蚀磨损表面分析
• 2.5 涂层的组织结构和微观力学性能研究
• 2.5.1 涂层的组织形貌观察和成分分析
• 2.5.2 涂层的相结构分析
• 2.5.3 涂层的微观力学性能分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 电热爆炸定向喷涂金属陶瓷涂层组织和耐磨性研究
• 3.1 涂层的微观组织结构和纳米力学性能研究
• 3.1.1 涂层的形貌与成分
• 3.1.2 相结构
• 3.1.3 微观力学性能
• 3.2 涂层的滑动磨损性能及其机理研究
• 3.2.1 干摩擦条件下的磨损性能
• 3.2.2 干摩擦条件下的磨损机理
• 3.2.3 油润滑条件下的磨损性能
• 3.2.4 油润滑条件下的磨损机理
• 3.3 涂层的冲蚀磨损性能及其机理研究
• 3.3.1 冲蚀磨损性能
• 3.3.2 冲蚀磨损机理
• 3.4 本章小结
• 第4章 不同喷涂方法制备马氏体不锈钢涂层组织和耐磨性研究
• 4.1 涂层的组织结构和微观力学性能研究
• 4.1.1 涂层的形貌与成分
• 4.1.2 相结构
• 4.1.3 微观力学性能
• 4.2 涂层的滑动磨损性能及其机理
• 4.2.1 干摩擦条件下的磨损性能
• 4.2.2 干摩擦条件下的磨损机理
• 4.2.3 油润滑条件下的磨损性能
• 4.2.4 油润滑条件下的磨损机理
• 4.3 涂层的冲蚀磨损性能
• 4.3.1 冲击角度的影响
• 4.3.2 环境温度的影响
• 4.3.3 粒子速度的影响
• 4.4 涂层的冲蚀磨损机理
• 4.5 本章小结
• 第5章 喷涂粒子沉积过程数值计算及实验验证
• 5.1 基体熔化与再凝固
• 5.1.1 物理模型
• 5.1.2 数值计算
• 5.1.3 有限元数值模拟
• 5.2 快速凝固与组织形成
• 5.3 试验验证
• 5.3.1 电爆喷涂 WC/Co涂层
• 5.3.2 不同喷涂方法制备3Crl3涂层
• 5.4 本章小结
• 第6章 耐磨涂层的应用研究
• 6.1 零件的磨痕形貌分析
• 6.2 零件表面耐磨涂层的制备
• 6.3 装备使用结果分析
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 个人简历