氧化铬—氧化钛复合涂层摩擦学性能研究以及在直线超声电机上的应用
本文关键词:氧化铬—氧化钛复合涂层摩擦学性能研究以及在直线超声电机上的应用
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【摘要】:超声电机是一种利用压电材料的逆压电效应,使弹性体在超声频段内产生振动,通过定子、转子之间的摩擦作用获得运动和扭矩的新型电机。因具有许多优异的性能被广泛应用机器人、医疗器械等领域。由于超声电机是靠定子、转子间的摩擦传递驱动力,因而摩擦材料的性能对超声电机的机械特性和使用寿命有着至关重要的影响。直线超声电机定子驱动头是金属合金,动子是结构陶瓷,所用材质的硬度相差较大,工作过程中往往会造成定子驱动头表面损伤严重,致使稳定性降低,服役寿命大大缩减。因而摩擦材料的研究成为解决这个问题的关键因素之一。本论文选用氧化铬-氧化钛陶瓷为研究对象,并通过添加氧化铈、氧化镧对其进行改性,研究其摩擦学性能,以制备符合直线超声电机使用要求的摩擦材料。论文系统研究了氧化铬-氧化钛涂层的制备工艺、组分设计,以及稀土氧化物类型和含量对氧化铬-氧化钛基陶瓷涂层的晶相结构、力学性能、摩擦磨损性能及超声电机输出特性等性能影响,并利用扫描电镜、3D形貌分析仪分析了陶瓷涂层表面磨损形貌,探讨了涂层的磨损机理。最后得到了以下主要结论:1、利用正交试验设计在45号钢基体表面进行等离子喷涂,研究了送粉量、电弧电流、电弧电压三个工艺参数对涂层性能的影响。结果表明:在本试验条件下,喷涂氧化铬-氧化钛涂层的优化工艺参数为:送气量60g/min,电弧电流600A,电弧电压70V。2、添加氧化铈对陶瓷涂层进行改性。结果表明:氧化铈可以降低涂层表面粗糙度,增加涂层的结合强度、显微硬度,减小气孔率,细化晶粒,改善摩擦磨损性能。未加氧化铈的氧化铬-氧化钛的涂层磨损量为1.05×10~(-5)mm~3/N·m,当氧化铈含量为4wt.%时,涂层的磨损率最低为5.56×10~(-6)mm~3/N·m。稀土氧化物的加入并没有改变涂层的磨损机理,涂层对磨氮化硅球的磨损机理主要是粘着磨损和疲劳磨损。3、添加氧化镧对陶瓷涂层进行改性。结果表明:氧化镧同样可以增加涂层的结合强度、显微硬度,减小气孔率,细化晶粒,改善摩擦磨损性能。当氧化镧含量为3wt.%时,涂层的磨损率最低为4.65×10~(-6)mm~3/N·m。涂层对磨氮化硅球的磨损机理仍然是粘着磨损和疲劳磨损。4、在定子驱动头上制备分别添加氧化铈、氧化镧的氧化铬-氧化钛陶瓷涂层,进行超声电机磨损实验。结果表明:定子表面喷涂的陶瓷涂层有很好的耐磨损性能,超声电机定子驱动头得到很好的保护,堵转力矩基本保持不变,寿命大大提高。
【关键词】:等离子喷涂 氧化铬-氧化钛涂层 超声电机 氧化铈 氧化镧 摩擦材料
【学位授予单位】:南京航空航天大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TG174.453;TM359.9
【目录】:
- 摘要4-5
- ABSTRACT5-15
- 第一章 绪论15-26
- 1.1 摩擦学15-18
- 1.1.1 摩擦学的发展15-16
- 1.1.2 现代摩擦研究的主要内容16
- 1.1.3 摩擦磨损机理16-18
- 1.2 热喷涂技术及其分类18-22
- 1.2.1 等离子喷涂技术19-20
- 1.2.2 Cr_2O_3基耐磨陶瓷涂层20-22
- 1.3 直线超声电机简介22-25
- 1.3.1 超声电机对摩擦材料的要求23-24
- 1.3.2 超声电机摩擦材料进展24-25
- 1.4 课题研究内容及本文工作安排25-26
- 第二章 等离子喷涂材料、设备及检测方法26-34
- 2.1 引言26
- 2.2 摩擦材料涂层的工艺流程及性能测试26-29
- 2.2.1 喷涂原材料和设备26-27
- 2.2.2 基材预处理27-29
- 2.3 陶瓷涂层的性能测试29-33
- 2.3.1 硬度测试29-30
- 2.3.2 孔隙率的测试30
- 2.3.3 结合强度测试30-31
- 2.3.4 喷涂粉末及涂层的相结构分析31
- 2.3.5 涂层形貌表征及EDS分析31
- 2.3.6 摩擦磨损试验31-32
- 2.3.7 直线超声电机机械性能测试32-33
- 2.4 本章小结33-34
- 第三章 等离子喷涂Cr_2O_3-20wt.%TiO_2涂层工艺优化34-41
- 3.1 引言34
- 3.2 涂层喷涂工艺参数正交设计34-35
- 3.3 涂层设计分析35-39
- 3.3.1 电弧电压对涂层性能的影响38
- 3.3.2 电弧电流对涂层性能的影响38-39
- 3.3.3 送粉量对涂层硬度的影响39
- 3.3.4 因素主次分析及工艺优化39
- 3.4 本章小结39-41
- 第四章 CeO_2添加剂对等离子喷涂涂层组织与性能的影响41-62
- 4.1 引言41-42
- 4.2 实验部分42-45
- 4.2.1 原料42
- 4.2.2 原料处理42-45
- 4.3 结果与讨论45-61
- 4.3.1 相结构分析45-46
- 4.3.2 添加CeO_2涂层的表面和横截面形貌表征46-49
- 4.3.3 涂层EDS分析49-50
- 4.3.4 硬度和结合强度测试50-51
- 4.3.5 涂层磨擦磨损性能测试51-53
- 4.3.6 磨损表面SEM表征53-55
- 4.3.7 涂层磨损 3D形貌表征55-57
- 4.3.8 涂层磨损轮廓图与磨损量测试57-58
- 4.3.9 涂层在直线超声电机上的应用58-61
- 4.4 本章小结61-62
- 第五章 La_2O_3添加剂对等离子喷涂涂层组织与性能的影响62-73
- 5.1 引言62
- 5.2 实验部分62-63
- 5.2.1 原料62-63
- 5.2.2 原料处理63
- 5.3 结果与讨论63-71
- 5.3.1 相结构分析63
- 5.3.2 添加La_2O_3涂层横截面形貌表征63-64
- 5.3.3 涂层EDS分析64-66
- 5.3.4 显微硬度和结合强度测试66
- 5.3.5 涂层摩擦磨损性能测试66-67
- 5.3.6 磨损表面SEM表征67-68
- 5.3.7 涂层磨损3D形貌表征68-69
- 5.3.8 涂层磨损轮廓图和磨损量测试69-71
- 5.3.9 涂层在直线超声电机上的应用71
- 5.4 本章小结71-73
- 第六章 总结与展望73-75
- 6.1 总结73
- 6.2 展望73-75
- 参考文献75-79
- 致谢79-80
- 在学期间的研究成果及发表的学术论文80
【参考文献】
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,本文编号:1010923
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