低功率等离子喷涂WC涂层工艺及性能研究

论文摘要

碳化钨涂层因其具有高硬度、高耐磨性能和良好的韧性而对提高零部件表面的耐磨性能及修复摩擦副工作面具有特殊的工程意义,因此广泛地应用于机械、航空航天、汽车、水利及印刷等行业。等离子喷涂因工艺成本相对低廉,是制备碳化钨涂层的一种被广泛关注的工艺方法。然而WC粉末在喷涂过程中易受热脱碳分解而生成W2C和CoxWyCz等脆性相,严重时甚至分解生成金属钨从而导致涂层的硬度、耐磨性及断裂韧性大大降低。涂层中碳化钨的类型、微观形貌等组织结构因素直接影响涂层的物理和力学性能,而这些重要的成分及微观组织结构特征强烈地依赖喷涂工艺参数。采用低功率等离子喷涂技术对获得具有高硬度、高耐磨性的碳化钨涂层极为有利,但相关的工艺细节研究尚不够深入。本研究旨在利用低功率等离子喷涂设备所持有的燃弧电压低的特点,探求适宜于制备高硬度、高耐磨性碳化钨涂层的工艺参数,并研究形成理想组织结构的微观机制。本文通过调整喷涂电参数,在42CrMo基体材料上制备WC涂层。采用光学显微分析方法研究基体材料不同热处理状态的微观组织特征;通过X-射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、能谱分析（EDS）对WC粉体、涂层的相成分和微观组织进行分析研究,总结喷涂工艺参数对WC涂层的结构、致密度和相成分的影响规律,对涂层的形成机理、基体与涂层的结合机制进行了分析。对不同电压条件下制备的四种涂层,采用纳米力学探针、维氏硬度和摩擦磨损试验对涂层的硬度和耐磨性能进行分析研究。研究结果表明所制备的涂层中WC呈典型的层状结构,扁平颗粒相互堆叠结合在一起;涂层层间为冶金结合,基体与涂层之间的作用以机械锚合为主,同时存在冶金结合点。当喷涂功率提高,WC颗粒的熔化效果好,扁平颗粒的铺展程度好。随着电压、电流的增加,WC涂层中出现W2C和CoxWyCz脆性相,发生脱碳现象,喷涂功率提高,脱碳现象严重,W2C的相对含量增加,而孔隙率下降,涂层更加致密,孔隙对WC涂层的硬度有很大影响;本研究在电压为50-55V时获得了高硬度、耐磨性能良好的WC涂层,WC涂层的磨损机理以磨粒磨损为主,磨损过程中由于应力的作用,层片间粘结开裂,涂层中的扁平粒子产生纵向裂纹,发生脆断剥落,成为硬质磨粒。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 前言
• 1.1 表面耐磨材料的研究
• 1.2 热喷涂原理及特点
• 1.3 等离子喷涂技术的原理与发展应用
• 1.3.1 等离子喷涂的原理与工艺特点
• 1.3.2 等离子喷涂工艺参数
• 1.3.3 等离子喷涂技术的发展应用
• 1.4 热喷涂WC 涂层研究现状
• 1.5 课题研究内容、目的及意义
• 第2章 试验条件和研究方法
• 2.1 等离子喷涂设备及试验材料
• 2.1.1 等离子喷涂设备
• 2.1.2 试验材料
• 2.2 WC 涂层的制备工艺
• 2.2.1 喷涂前的表面处理
• 2.2.2 喷涂工艺参数的选择
• 2.3 涂层性能研究
• 2.3.1 孔隙率分析
• 2.3.2 纳米力学探针分析
• 2.3.3 维氏硬度的测定
• 2.4 涂层物相和形貌分析
• 2.4.1 金相分析
• 2.4.2 XRD 物相分析
• 2.4.3 SEM 形貌观察分析
• 2.5 摩擦磨损试验方法
• 第3章 涂层的微观组织与结构
• 3.1 基体材料的组织结构
• 3.2 WC 粉体的微观组织和成分
• 3.3 WC 涂层的微观形貌
• 3.3.1 WC 涂层的表面形貌
• 3.3.2 WC 涂层的截面形貌
• 3.4 WC 涂层的形成机理研究
• 3.5 工艺参数对涂层相组成的影响
• 3.5.1 电流对涂层成分的影响
• 3.5.2 电压对涂层成分的影响
• 3.6 本章小结
• 第4章 涂层的磨损性能研究
• 4.1 WC 涂层硬度分析
• 4.1.1 WC 涂层/基体的纳米硬度
• 4.1.2 WC 涂层的维氏硬度
• 4.2 WC 涂层在干摩擦条件下的磨损性能
• 4.2.1 WC 涂层的摩擦曲线分析
• 4.2.2 WC 涂层的磨损量分析
• 4.3 WC 涂层的磨损形貌和机理
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢