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反应等离子喷涂纳米TiN涂层材料的研究

2020-11-22阅读(84)

反应等离子喷涂纳米TiN涂层材料的研究

论文摘要

本文主要研究了用微米级的Ti粉,通过反应等离子喷涂的方法制备纳米晶的TiN涂层材料。设计了反应室并研究了制备TiN涂层的工艺;表征了涂层的物相组成,显微结构;讨论了纳米TiN涂层形成的机理;分析了涂层的力学性能、摩擦磨损性能、耐腐蚀性能和热处理对涂层组织及性能的影响。获得了一些有价值的结果。设计制造了出四代反应室,并用带反应室的喷枪和XX-XX型喷枪喷涂微米级Ti粉成功制备了纳米晶TiN涂层,用正交实验的方法优化了制备TiN涂层的工艺参数。表征了涂层的微观结构,采用SEM、TEM、HRTEM观察及由XRD谱线计算发现:TiN涂层是由晶相和非晶相构成,晶相主要是TiN相及少量的Ti3O;晶相的亚结构是由相互平行的纳米棒构成的捆在空间随机堆垛而成,纳米棒的直径为70-100nm;涂层的晶相含有大量生长孪晶;对反应室内沉积的TiN进行TEM观察,发现有位错运动及相互作用的现象。研究了涂层的力学性能,发现TiN涂层有较高的硬度及断裂韧性,其横截面的平均硬度为1720HV100g;纵截面的平均硬度为1260HV100g;横截面的KIC=7.065MPam1/2,纵截面的KIC=4.915MPam1/2;涂层具有明显的压痕尺寸效应;经分析压痕、摩擦表面及压痕尺寸效应发现,TiN材料受力后有明显的变形及加工硬化现象。研究了涂层的耐磨性和耐蚀性,发现在无润滑磨损条件下,纳米TiN涂层的耐磨性能比淬火M2钢好,其摩擦系数为0.40,其主要磨损失效形式是涂层的剥落;在稀HCl、H2SO4及NaCl溶液中TiN涂层本身表现出极高的耐蚀性,带TiN涂层的钢铁材料在0.5mol/L的HCl溶液致钝电流低于18-8不锈钢,而击破电位高于不锈钢。研究了1000℃退火处理对TiN涂层组织和性能的影响,发现退火后TiN涂层的晶粒并未长大,涂层的致密度提高,韧性改善、摩擦系数降低,体现了TiN自润滑的特性。理论上研究了反应等离子喷涂形成纳米TiN涂层的动力学,实验发现Ti-N2燃烧合成是形成纳米晶的必要条件,而等离子喷涂及快冷是形成纳米晶的充分条件,Ti-N2燃烧合成的反应使反应产物完全熔化,而等离子喷涂使液滴瞬间在基体上激冷,从而形成非晶及纳米晶。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • §1-1 引言
  • 1-1-1 选题的意义
  • §1-2 纳米科技在陶瓷涂层中的发展及应用
  • 1-2-1 纳米科学技术
  • 1-2-2 纳米材料的特性
  • 1-2-3 纳米材料的力学性能
  • 1-2-4 纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径
  • 1-2-5 纳米陶瓷涂层
  • 1-2-6 纳米涂层的制备方法
  • §1-3 反应等离子喷涂技术
  • 1-3-1 等离子喷涂技术及应用
  • 1-3-2 燃烧合成理论及应用
  • 1-3-3 反应等离子喷涂
  • §1-4 TiN 的研究背景
  • 1-4-1 TiN 的性能
  • 1-4-2 TiN 的研究现状
  • 1-4-3 反应等离子喷涂制备TiN 涂层
  • 1-4-4 研究的理论依据
  • 1-4-5 研究内容
  • 1-4-6 研究意义
  • 1-4-7 创新点
  • 参考文献
  • 第二章 反应等离子喷涂TiN 的制备工艺优化
  • §2-1 前言
  • §2-2 实验方法
  • 2-2-1 实验设备及材料
  • 2-2-2 喷涂试样的预处理
  • 2-2-3 涂层的喷涂工艺参数
  • 2-2-4 TiN 的表征
  • §2-3 结果与讨论
  • 2-3-1TiN 涂层的制备
  • 2-3-2 型喷枪工艺参数确定
  • 2-3-3 特种等离子喷枪反应室的设计及工艺优化
  • 本章小结
  • 参考文献
  • 第三章 纳米TiN 涂层和TiN 粉末的显微结构表征
  • §3-1 引言
  • §3-2 实验方法
  • 3-2-1 TiN 结构、成分和形貌分析
  • §3-3 实验结果与分析
  • 3-3-1 TiN 不同喷枪所制备涂层的XRD 衍射分析
  • 3-3-2 涂层的晶格常数测定
  • 3-3-3 涂层的XPS 分析
  • 3-3-4 TiN 涂层的形貌分析
  • 3-3-5 TiN 涂层的TEM 分析
  • 3-3-6 TiN 涂层的孪晶
  • 3-3-7 反应室内 TiN 沉积物的分析
  • 3-3-8 纳米晶TiN 形成机理分析
  • §3-4 TiN 粉末的表征
  • 本章小结
  • 参考文献
  • 第四章 TiN 涂层的力学性能
  • §4-1 引言
  • §4-2 实验方法及设备
  • 4-2-1 涂层显微硬度的测量
  • 4-2-2 涂层结合强度的测定
  • §4-3 试验结果与分析
  • 4-3-1 涂层的显微硬度
  • 4-3-2 涂层的断裂韧性
  • 4-3-3 TiN 涂层的结合强度
  • 本章小结
  • 参考文献
  • 第五章 纳米晶TiN 涂层的摩擦磨损性能表征
  • §5-1 引言
  • §5-2 实验方法
  • 5-2-1 摩擦磨损试样的制备
  • 5-2-2 试验过程
  • §5-3 试验结果与讨论
  • 5-3-1 研究涂层材料的摩擦磨损临界载荷的理论计算
  • 5-3-2 与GCr15 配副干磨损时TiN 涂层的摩擦磨损性能
  • 5-3-3 与WC-Co 配副的干摩擦磨损性能
  • 本章小结
  • 参考文献
  • 第六章 TiN 涂层的耐腐蚀性初探
  • §6-1 前言
  • §6-2 实验方法
  • 6-2-1 实验样品的制备
  • 6-2-2 腐蚀失重实验
  • 6-2-3 电化学腐蚀实验
  • §6-3 实验结果及分析
  • 6-3-1 TiN 涂层在0.5mol/LHCl 水溶液中电化学腐蚀性能
  • 6-3-2 涂层在中性介质（NaCl）中的耐蚀性
  • 2SO4溶液中的腐蚀行为'>6-3-3 涂层在H2SO4溶液中的腐蚀行为
  • 6-3-4 涂层耐腐蚀机理的探讨
  • 本章小结
  • 参考文献
  • 第七章 TiN 涂层的热处理
  • §7-1 前言
  • §7-2 实验方法及设备
  • §7-3 实验结果与讨论
  • 7-3-1 TiN 涂层在大气中的热处理
  • 7-3-2 在惰性气体保护下的涂层退火后的组织变化
  • 7-3-3 在惰性气体保护下的涂层退火后的性能变化
  • 本章小结
  • 参考文献
  • 第八章 结论与创新
  • 致谢
  • 攻读博士期间的科研获奖、科研项目、专利和发表论文

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