铁基非晶合金涂层制备及性能研究

发布时间：2020-10-15 21:57

　　 船舶飞行甲板是飞机停放以及船舶工作人员作业的主要场地,在高湿度的海洋环境以及飞机数万次的起降冲击下,甲板涂层极易发生老化、腐蚀与磨损。传统的有机涂层具有耐蚀性好、韧性高等优点,但其耐磨性、耐高温性、耐紫外线能力差,与基体结合强度低,限制了有机涂层在甲板上的应用。金属基陶瓷涂层与甲板钢有着优异的结合强度与耐磨性能,但是其耐蚀性差。铁基非晶合金涂层具备有机涂层与金属基涂层两者的优点,是未来船舶飞行甲板涂层重要的研究方向。本课题通过超音速电弧喷涂技术制备铁基非晶合金涂层,研究了合金体系中Cr、Ni、B、Si及其含量对铁基非晶合金涂层非晶含量的影响,表征了涂层的微观结构与综合服役性能,分析了非晶/纳米晶对甲板涂层综合服役性能的影响,并通过自行设计的飞行甲板模拟实验装置,对涂层综合性能进行评估。以Inoue经验原则为依据,设计了Fe-Cr-Ni-Mo-B-Si的非晶合金体系,通过XRD、SEM等检测方法对铁基非晶合金涂层物相组成及微观形貌进行表征,通过对涂层力学性能、耐蚀性的测试,发现铁基非晶合金涂层非晶含量、物相组成与Ni、Cr、B、Si及其含量密切相关,在实验范围内可得到非晶含量从22.4%到46.3%的铁基非晶合金涂层。非晶含量越高,涂层孔隙率越小,显微硬度越高,与钢铁基体结合力越强,耐蚀性越好。涂层中Cr、Ni含量对涂层结构与性能有关键影响。Cr与Ni具有较大的原子半径,添加至体系中,造成合金体系组元数增加、体系原子之间混合焓增大,使整个体系熔点降低,涂层非晶形成能力提高。当非晶含量最高为46.3%时,涂层显微硬度最高为960Hv、结合力最高为44.1MPa,涂层孔隙率最小为2.2%,同时表现出好的耐蚀性。体系中Ni的过度增加破坏了Fe-Si固溶体形成,使Fe的非晶形成能力降低,同时与Si结合生成Ni_2SiO_4纳米尺寸硬质相,对晶界移动起抑制作用,使涂层晶粒细化均匀。经正交试验分析,Cr含量19%、Ni含量6%时,涂层有最高的非晶含量,同时涂层在硬度、结合力、孔隙率与耐蚀性等方面性能最佳。B、Si等非金属元素添加至体系中,通过与Fe结合使体系熔点降低,增大非晶形成能力,使涂层综合性能提高。同时体系中B含量对涂层耐磨性有规律性影响,当B含量超过8%,B与Fe、Mo等形成的Mo_2FeB_4硬质相含量增加,在磨损过程中容易从涂层基体上脱落形成磨粒磨损,造成铁基非晶合金涂层耐磨性降低。经正交试验分析,当合金体系为Fe_(45)Cr_(19)Ni_6Mo_(10)B_8Si_(12)时,涂层非晶形成能力强,表现出优异的力学性能、耐蚀性以及综合服役性能,满足现阶段甲板防滑涂层的服役要求。参考美军标,模拟飞机降落时轮胎与涂层表面的摩擦情况,及工作环境中甲板上的拦阻索对涂层的磨损情况,自行设计了飞机轮胎、拦阻索摩擦磨损实验室测试装置,研究了铁基非晶合金涂层中非晶/纳米晶含量对涂层防滑、耐磨性的影响。铁基非晶合金涂层非晶含量适当降低,涂层摩擦系数增大,防滑性提高,耐磨性增强。随着体系中Cr、Ni、B、Si含量变化,体系合金熔点发生改变,当体系熔点升高时,涂层非晶形成能力降低,粒子熔融不完全导致涂层表面粗糙,摩擦系数增大,防滑性增强,同时,非晶形成能力降低导致涂层中弥散分布的纳米晶硬质相Ni_2SiO_4等含量增加,使涂层耐磨性得到提高。当非晶含量46.3%时,铁基非晶合金涂层摩擦系数为1.0,涂层磨损量为123mg,涂层中非晶含量为22.4%时,涂层摩擦系数高达1.32,同时磨损量为104mg,均符合MIL-PRF-24667标准的指标要求。
【学位单位】：山东建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TG174.4;TG139.8;U668
【部分图文】：

其他航空作业[1]。飞机甲板长期暴露于浪花飞溅、干湿交替的恶劣海洋大气环境中，同时受到飞机起落冲击、温差变化等影响，对甲板钢产生不可忽视的腐蚀与磨损破坏作用造成甲板面不平甚至明显凹坑，在服役安全方面对飞机产生重大隐患[2]。因此，为了提高甲板钢服役寿命以及飞机和其他辅助设备的使用安全性，通常需要在甲板表面涂覆一层摩擦系数较大，保证飞机及重型设备在恶劣海况下不发生滑动，对机轮磨损相对较小抗腐蚀、抗老化、有良好抗冲击性能的防滑涂层。传统飞行甲板的防滑涂层分为有机涂层与金属基陶瓷复合涂层两类。有机环氧以及聚氨酯等双组份涂料由于有优异的附着力、强度、耐化学以及耐磨的性能，在甲板涂层等方面的应用历史悠久，美国开发的 Alumoxanes 复合涂层具有优异的耐磨性，可抵抗大型船舶拖缆和飞机尾钩引起的涂层损坏[3-4]。然而，有机涂层具有较差的耐高温性和抗紫外线性，在严苛的海洋环境以及长时间的紫外线暴露状态下，有机涂层容易发生褪色起皮以及脱落等现象（如图 1.1 所示），使服役寿命严重缩短的同时，也使甲板涂层保养方面的开支日益增加[5]。

山东建筑大学硕士学位论文会减少涂层的使用寿命。因此，找到一种强度、硬度与耐候、耐蚀性并存的高耐久性防滑涂层已经成为当前该领域急需解决的重点难题与热点问题。非晶合金通过超快速冷却凝固，在合金凝固过程中原子无有序排列和结晶，所得固体合金具有长程无序结构，如图 1.2（b）所示，是一种在一定温度范围能够保持稳定状态的新型亚稳材料[8]。由于没有晶界的存在，非晶合金表现出优异的耐蚀性，并且有极高的强度与耐磨性。非晶合金具有优异的物理、化学和机械性能，广泛应用于电子、计算机、通信等高科技领域。目前采用热喷涂、激光熔覆等方法制备非晶合金涂层，已成为表面工程领域研究的重要内容。

改变基体表面的形态、成分、结构，使基体表面获得所需喷涂与激光熔覆技术作为表面技术的重要分支，在工业生成为铁基非晶合金涂层制备的主要手段。术制备铁基非晶合金涂层Laser Cladding）技术[28]是一种通过将熔覆材料覆盖在基底其与基底表面熔合而形成冶金结合涂层的技术。激光熔覆基体结合强度极高等特点，在精密仪器表面涂层制备领域制备铁基非晶合金涂层的方面，国内外也有众多相关报道人在 304L 不锈钢表面通过激光熔覆技术制得 Fe-Cr-Si-P 粒分散在无定型的非晶组织中（如图 1.3 所示），并通过，得到熔池沿着深度方向的温度梯度变化以及冷却速度的构特征与冷却速度和形状控制因子之间的关系模型。
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本文编号：2842305