超音速火焰喷涂微纳米陶瓷涂层组织性能分析及激光重熔

发布时间：2020-04-09 13:07

【摘要】：Ti6Al4V钛合金具有低密度、高比强度和良好的耐腐蚀性等优点,在航空航天、石油化工及民用领域应用非常广泛。其耐磨性差已成为国内外学者研究的热点,表面涂层技术是提升钛合金表面耐磨性的有效途径。常规涂层依然存在高孔隙、多裂纹等问题,如何制备高质量耐磨涂层并实现质量可控仍需进一步深入研究。以钛合金基体为研究对象,遵循粒子加速-飞行-加热-撞击-扁平化-冷却凝固-形成涂层的规律,采用理论分析、数值模拟和试验相结合的研究思路,基于超音速火焰喷涂技术成功制备微米和微纳米结构WC-12Co涂层,分析两种涂层的微观组织和性能。建立工艺参数和涂层质量间的多元回归数学模型,优化涂层质量。采用激光重熔技术实现涂层基体间界面行为的转变。主要工作和成果如下:(1)在分析粒子动量传输特征的基础上,建立飞行粒子加热熔化有限元模型。定量研究并揭示粉末粒径、飞行速度和喷涂距离等对熔化模式演变的影响规律,从而建立WC-12Co粉末的颗粒熔化机制理论模型。(2)计算WC-12Co颗粒的时空独立性,掌握撞击及扁平化行为,研究WC颗粒的反弹机理。建立涂层残余应力计算模型,为揭示材料和工艺因素对其贡献大小提供理论依据。明确涂层以机械结合为主的界面状态。表征涂层原生性微观缺陷的不均性,定量研究孔隙的尺寸类型和分布。(3)研究两种涂层的微观形貌及摩擦学特性等。讨论材料特性和工艺参数对微观组织及性能的影响,分析涂层及基体的磨损机理。微纳米涂层以亚微米、纳米尺度WC颗粒为主,微米涂层以微米、亚微米尺寸为主。微纳米涂层的孔隙率和摩擦因数相对较小,硬度和抗变形能力优于微米涂层。基体以磨粒磨损,黏着磨损和少量氧化磨损为主要磨损机制。微米涂层以微切削和剥层为主,而微纳米涂层主要以微切削为主。两种涂层都表现出优异的耐磨性,其中微纳米涂层更优。(4)揭示残余应力对粉末特性和动量传输特征的依赖性。明确涂层中残余压应力的产生主要由未熔化的WC颗粒的喷丸效应引起,与喷涂工艺无关。(5)建立喷涂工艺参数与涂层质量间的多元回归数学模型,验证模型的可靠性和精度,预测和优化了涂层质量。制备了高质量WC-12Co涂层,提升了涂层质量的可控性。(6)建立Marangoni效应多物理耦合场模型,揭示激光熔池的对流传热本质和涂层成分均匀化的驱动力来源。建立激光重熔热喷涂涂层的三维温度场有限元模型,分析工艺参数对熔池温度场演变的影响规律。选择优化工艺参数成功制备无孔隙和冶金结合的激光重熔涂层。探索出获得高质量激光重熔WC-12Co涂层的技术路线。
【图文】：

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第一章绪论的应用与摩擦磨损金的特点及应用以钛元素为基础添加其它元素所形成的合金，作为一种新型结构材料度小、比强度高、抗腐蚀性能好和良好的生物相容性[1-2]。在军事工业了巨大的经济和社会效益，已被世界多个军事强国列为重点发展的结构金属材料[3]，各国对钛合金的需求非常旺盛，我国以每年 20%中主要用于航空航天、舰船等领域，如机体、发动机和机载设备。 F-35 用钛量已高达 27%，F-22 战机用钛量更是高达 41%。我国军用已达到 25%[5]。民用航空领域的使用量也在不断加大，如空客 A38音 777 占比 7%-8%。我国商用支线客机 ARJ21 用量为 4.8%，商用，主要应用部位如图 1 所示。此外，钛合金优异的抗腐蚀性能使其，主要用在潜艇、深潜器和鱼雷发射水缸等方面。据报道钛合金在，经过 4.5 年其腐蚀率仅为 7.6×10-4μm/a[6]，几乎可以忽略。

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超音速火焰喷涂微纳米陶瓷涂层组织性能分析及激光重熔易吸收 O，H，N 等元素发生化学反应，造成塑性和冲击韧、氧化热焓高，对黏着磨损和微动磨损非常敏感。摩擦因数钛火）及抗高温氧化能力较差等缺点，严重影响了结构件的范围的进一步拓宽[10]。由摩擦发生钛火的故障已经出现在多0、F404 发动机等。文献[11]采用双圆环结构的试验件基于旋模拟试验，，最后发现 TC4 钛合金在高速摩擦下完全燃烧，
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG174.4;TG665

【参考文献】