Q235钢基体表面Y-TZP/LZAS微晶玻璃功能梯度涂层的研究

发布时间：2022-07-19 11:21

　　金属材料在表现出优异的性能的同时,也存在使用过程中容易受到气、水及某些化学介质的腐蚀、因相互运动而产生磨损、因工作温度过高而发生氧化等缺点。金属基陶瓷涂层融合了金属材料和陶瓷材料优点,既能满足韧性高和成型性好的要求,又能适应隔热、耐高温、抗磨损、耐腐蚀的工况要求。发展金属基陶瓷涂层等表面保护和表面强化技术,对提高产品在高温、高速、高压和恶劣的工况条件下的耐磨和耐腐蚀性具有重要的工程意义。在冶金、热电工业行业,许多设备和管道的服役状况非常恶劣。为解决这些问题,国内外学者提出了制备搪瓷涂层和微晶玻璃涂层的思路,为提高其抗冲蚀磨损进行了有价值的探索。但是,由于涂层韧性差的问题未得到解决,这些措施具有很大的局限性。本文基于Li2O-ZnO-Al2O3-SiO2（LZAS）系微晶玻璃的热膨胀系数范围很宽（36-20×10-6K-1）和软化温度较低的特点,根据功能梯度材料的原理,提出了用Y-TZP/LZAS微晶玻璃功能梯度涂层解决微晶玻璃涂层低韧性问题的新思路,本文为解决金属基微晶玻璃涂层强韧化问题提供了科学依据,对发展金属基陶瓷涂层等表面保护和强化技术具有重要意义。本文采用烧结法制备了LZAS系... 

【文章页数】：116 页

【学位级别】：博士

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摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 金属基陶瓷涂层
        1.1.1 金属基陶瓷涂层的运用
        1.1.2 金属基陶瓷涂层的制备方法
            1.1.2.1 喷涂法
            1.1.2.2 化学气相沉积法
            1.1.2.3 物理气相沉积法
            1.1.2.4 溶胶-凝胶法
            1.1.2.5 高温燃烧合成法(SHS)
            1.1.2.6 电沉积陶瓷涂层
            1.1.2.7 有机胶粘陶瓷涂层
            1.1.2.8 高温熔烧法
    1.2 金属基微晶玻璃涂层
        1.2.1 微晶玻璃的种类及制备方法
        1.2.2 金属基微晶玻璃涂层技术及应用
        1.2.3 金属基微晶玻璃涂层的制备条件与制备方法
            1.2.3.1 金属基微晶玻璃涂层的制备条件
            1.2.3.2 金属基微晶玻璃涂层的制备方法
    1.3 微晶玻璃涂层的强韧化
        1.3.1 微晶玻璃增韧技术
            1.3.1.1 弥散强化增韧
            1.3.1.2 氧化锆增韧
            1.3.1.3 纤维、晶须补强增韧
            1.3.1.4 表面强化增韧
    1.4 功能梯度材料
    1.5 与钢复合的微晶玻璃种类
    1.6 论文的主要研究内容
        1.6.1 存在的问题及课题的提出
        1.6.2 论文的主要研究内容
第二章 实验设备与研究方法
    2.1 实验所需原材料及仪器设备
    2.2 样品的制备
        2.2.1 基础玻璃粉的制备
        2.2.2 块状样品的制备
    2.3 样品的分析与测试
        2.3.1 差热分析
        2.3.2 粉体粒径分布分析
        2.3.3 致密度分析
        2.3.4 结晶度分析
        2.3.5 热膨胀系数的测定
        2.3.6 三点弯曲强度测定
        2.3.7 弹性模量测定
        2.3.8 显微硬度测定
        2.3.9 断裂韧性测定
        2.3.10 涂层残余应力测试
        2.3.11 基础玻璃粘度测定
        2.3.12 基础玻璃润湿角测定
    2.4 材料的组织结构分析
        2.4.1 XRD物相分析
        2.4.2 微观结构分析
第三章 烧结法制备LZAS系微晶玻璃研究
    3.1 基础玻璃的组分设计
    3.2 LZAS系微晶玻璃的热处理制度
        3.2.1 基础玻璃的制备
        3.2.2 微晶玻璃的制备
        3.2.3 两步法热处理制度的确定
        3.2.4 LZAS微晶玻璃物相和结晶度分析
            3.2.4.1 核化温度与物相和结晶度的关系
            3.2.4.2 核化时间与物相和结晶度的关系
            3.2.4.3 晶化温度与物相的关系
            3.2.4.4 晶化温度对微观结构的影响
        3.2.5 两步和一步热处理制度对析出相、微观结构的影响
    3.3 LZAS系微晶玻璃的烧结特性
        3.3.1 LZAS微晶玻璃的烧结行为
        3.3.2 烧结温度对物相的影响
        3.3.3 烧结温度对微观结构的影响
        3.3.4 LZAS微晶玻璃的烧结机理
    3.4 小结
第四章 添加Y-TZP的LZAS系微晶玻璃的制备和性能研究
    4.1 Y-TZP/LZAS复合材料的成分设计与制备工艺
        4.1.1 Y-TZP/LZAS复合材料的成分设计
        4.1.2 Y-TZP/LZAS复合材料的制备工艺
    4.2 Y-TZP/LZAS复合材料的烧结行为
    4.3 Y-TZP/LZAS复合材料的烧结动力学
    4.4 3Y-TZP对微晶玻璃相组成及相变过程的影响
    4.5 Y-TZP/LZAS复合材料的微观结构
    4.6 Y-TZP含量对复合材料力学性能的影响
    4.7 Y-TZP/LZAS复合材料的强韧化机制
        4.7.1 弥散增韧机制
        4.7.2 相变增韧机制
    4.8 小结
第五章 Y-TZP/LZAS系微晶玻璃梯度涂层的应力分析
    5.1 Y-TZP/LZAS微晶玻璃功能梯度涂层结构设计
    5.2 Y-TZP/LZAS微晶玻璃功能梯度涂层的设计理论
        5.2.1 梯度涂层的应力计算
            5.2.1.1 梯度涂层残余热应力的计算
            5.2.1.2 梯度涂层接触应力的计算
        5.2.2 梯度涂层的物理模型
        5.2.3 梯度涂层组成分布模型
        5.2.4 梯度涂层的物性参数模型
        5.2.5 梯度涂层中3Y-TZP体积分数的上下限确定
    5.3 Y-TZP/LZAS微晶玻璃功能梯度涂层残余热应力的数值模拟
        5.3.1 梯度涂层残余热应力分析的有限元模型
            5.3.1.1 几何模型
            5.3.1.2 有限元网格划分
            5.3.1.3 约束条件和边界条件
        5.3.2 有限元模拟结果
            5.3.2.1 组成分布指数对涂层残余热应力的影响
            5.3.2.2 梯度层数对涂层残余热应力的影响
            5.3.2.3 涂层厚度对涂层残余热应力的影响
            5.3.2.4 梯度组分差对涂层残余应力的影响
            5.3.2.5 残余应力的分布
    5.4 梯度涂层接触应力的数值模拟
        5.4.1 JOHNSON接触理论模型
        5.4.2 接触应力有限元模型的建立及评估
        5.4.3 接触应力的数值模拟结果
            5.4.3.1 涂层接触应力的分布
            5.4.3.2 梯度层数对接触应力的影响
            5.4.3.3 梯度层厚对接触应力的影响
            5.4.3.4 3Y-TZP体积组分差对接触应力的影响
    5.5 小结
第六章 Y-TZP/LZAS梯度涂层的制备、组织结构及性能
    6.1 Y-TZP/LZAS梯度涂层的制备工艺流程
    6.2 Y-TZP/LZAS微晶玻璃梯度涂层的制备
        6.2.1 涂烧温度对LZAS微晶玻璃粘度的影响
        6.2.2 涂烧温度对LZAS微晶玻璃润湿性能的影响
        6.2.3 钢基体的预处理
        6.2.4 浆料的制备
        6.2.5 Y-TZP/LZAS微晶玻璃梯度涂层的涂烧制度
    6.3 Y-TZP/LZAS微晶玻璃梯度涂层的物相及显微结构
    6.4 Y-TZP/LZAS微晶玻璃梯度涂层的性能
        6.4.1 涂层的显微硬度
        6.4.2 涂层的断裂韧性
        6.4.3 涂层的结合强度
    6.5 小结
第七章 结论
    7.1 结论
    7.2 论文创新点
致谢
参考文献
附录


【参考文献】：
期刊论文
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[4]镁合金表面介孔45S5生物玻璃陶瓷涂层的制备及体外降解性能[J]. 黄凯,蔡舒,任萌果,王雪欣,张睿悦.  硅酸盐学报. 2014(07)
[5]Q235钢基体表面微晶玻璃功能梯度涂层的残余应力分析[J]. 周黎明,龚伟,王恩泽,韩腾.  金属热处理. 2014(05)
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博士论文
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[3]梯度陶瓷喷嘴的设计理论及其应用研究[D]. 刘莉莉.山东大学 2006
[4]氧化锆基复合陶瓷纺织剪刀材料的研制及其应用基础研究[D]. 孙静.山东大学 2005
[5]新型陶瓷喷砂嘴的研究开发及其冲蚀磨损机理研究[D]. 冯益华.山东大学 2003
[6]电泳共沉积—烧结法制备钛合金表面生物活性梯度陶瓷涂层的研究[D]. 陈晓明.武汉理工大学 2002

硕士论文
[1]Q235钢在两相区的热轧模拟研究[D]. 张航.重庆大学 2014
[2]原位烧结合成（Ti，V）C/Fe复合材料的微观结构与热处理研究[D]. 龚伟.四川大学 2007
[3]微晶玻璃/金属复合新型装饰材料的研究[D]. 吴国燕.武汉理工大学 2005



本文编号：3663324