复合稀土氧化物对Ti-Al/WC涂层显微组织结构和性能的影响
发布时间：2021-01-11 16:11
随着工程技术水平的不断提高,零件在特殊工况条件下的应用面临着新的挑战。利用热喷涂技术得到具有防护涂层的零件,往往可以应对不同的工况条件,发挥出更大的作用。然而,涂层一般存在着结合强度低、组织分布不均匀以及孔洞较多等缺陷。稀土元素是极为活泼的化学元素,在涂层中能够起到净化组织、细化晶粒以及提高涂层相关性能的作用。本文选择45钢作为基体材料,采用等离子喷涂的方法制备了未添加稀土氧化物以及添加不同复合稀土氧化物的Ti-Al/WC涂层,使用自带能谱仪（EDS）的扫描电子显微镜（SEM）、显微硬度测试机和X射线粉末衍射仪（XRD）研究了复合稀土氧化物对涂层显微组织结构以及机械力学性能的影响;利用摩擦磨损试验机对涂层进行了摩擦磨损试验,分析了复合稀土氧化物对涂层摩擦学性能的作用机理。主要成果如下:（1）复合稀土氧化物能够有效地改善涂层的显微组织结构:使得涂层整体的分层现象得以改善,组织分布变得均匀,内部晶粒得到细化,孔洞直径变小,裂纹数量及尺寸显著下降;极大地降低了涂层的孔隙率;促使硬质相W2C和WC弥散分布,且让更多的C原子转化成W2C,这将有利于提高...
【文章来源】：江西理工大学江西省
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
热喷涂技术原理图
第一章绪论4的优势[30-33]。图1.2所示为等离子喷涂技术原理图。图1.2等离子喷涂技术原理图电弧喷涂原理是根据等待喷涂的线材末端形成的直流或交流电弧为热源，线材受热熔化并且经过压缩空气的雾化作用后，撞击基体而沉积成涂层。通过两根线材成分上的不同以及控制使用过程中的进给速度，就能够制取出具有不同合金成分的涂层。然而，此方法的劣势为喷涂线材一定要是可以导电的焊丝，所以局限于用来制备金属涂层，这极大地约束了电弧喷涂的使用场合[34-35]。高频喷涂是一种依靠高频感应电流加热金属丝，结合压缩空气来制备涂层的工艺。具体过程是金属丝末端进入用于集中磁场的电极头部位时，会受到磁场的影响，在其内部形成涡流从而受热熔化，随后压缩空气进一步把其雾化成粒子束，撞击至基材表面上而冷凝为涂层。高频喷涂是人们最早运用的喷涂工艺之一，但因为制备过程是间接加热，所以喷涂效率不高，且必须喷涂能够导磁的材料，设备也相对笨重，故目前运用较少[36]。电爆喷涂的原理是用很短时间(≤10μs)给喷涂材料施以脉冲高压，使得其受热熔化，部分液态喷涂材料气化为等离子体，随后其立刻膨胀并发生爆炸，而还没有来得及气化的喷涂材料则会受到爆炸形成的冲击力的影响，以最高可达600m/s的速度朝四周喷射，在渗透进基体后快速冷却，这样制备的涂层和基体间会有一层过渡层，类似于“微焊接”。涂层制备过程耗时极短，且基体一般不会受到热影响，所以此法专用来喷涂气缸等内表面[37-38]。1.2.2热喷涂技术的特点与局限性从热喷涂技术原理和涂层相关性能这两个层面分析，与其它表面强化工艺相比，热喷涂技术包含如下特点[39-43]：（1）基体的选择范围广泛。倘若热喷涂工艺参数选取得当，则可供用来制备涂层的基体材料既能是水泥
第一章绪论6们的原子电子层结构特点，通常把它们分成两大类，包括轻稀土：镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)；重稀土：钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)、钪(Sc)和钇(Y)。这样划分的依据是：自钆(Gd)元素的原子开始，4f亚层中新增加电子的旋向有了变化。将钇(Y)元素列入后者的原因为Y3+的离子半径同它们的相近，并且它们的化学性质类似[44-45]。纯稀土金属通常都偏软、有延展性并能够锻造，高温中为粉末状态，且它们的化学活性极强，同O、H、C、S、P、N等元素的亲和力很强，倘若暴露在大气中会发生氧化，所以往往把它们放置于煤油里，或者放在具有惰性气体的容器内。在大自然中，稀土通常作为氧化物存在，稀土氧化物熔沸点较高，热稳定性较好[46-48]。稀土有着无与伦比的电、光、磁性能，能与其他材料组成性能各异、品种繁多的新型材料，其最显著的功能就是大幅度提高其他产品的质量和性能。由于稀土具有独特优势且不可再生，所以它们是我国珍贵的战略金属资源，目前主要应用于军事、石油、化工、玻璃陶瓷、农业、医疗、净水和交通等方面，被赞誉为“新材料之母”，图1.3是稀土在新材料领域中的应用示意图[49-51]。图1.3稀土在新材料领域中的应用示意图1.3.2稀土元素的作用在涂层中添加一定含量的稀土能够起到优化涂层的显微组织结构，提高涂层的显微硬度以及耐磨性能，增强涂层和基体间的结合性能等作用[52]。（1）细化晶粒这是由于稀土非常容易和涂层中其余元素产生反应，生成相对稳定并且熔点较高的化合物，成为新的结晶晶核，从而提高了晶粒数量。加之稀土元素和原材料新生成的化合物，容易镶嵌于晶界中，这能够阻止晶粒进一步生长，起到了细化晶粒的作用。而且，
【参考文献】：
期刊论文
[1]稀土复合掺杂ZrO2陶瓷涂层抗Na2SO4+NaVO3热腐蚀性能的研究进展[J]. 陈超,梁艳芬,梁天权,满泉言,罗毅东,张修海,曾建民. 中国腐蚀与防护学报. 2019(04)
[2]爆炸喷涂高铝青铜磷光自敏发光复合涂层及其摩擦学性能[J]. 李文生,赵文杰,何玲,胡春霞,唐丽芳. 中国有色金属学报. 2019(07)
[3]“热喷涂技术及工程应用”专题序言[J]. 贺定勇. 表面技术. 2019(04)
[4]单相双稀土改性SrZrO3热障涂层的热物理性能[J]. 马伯乐,马文,黄威,白玉,贾瑞灵,董红英. 无机材料学报. 2019(04)
[5]废SCR钛基脱硝催化剂铝热还原重熔制备含铬钛铝基合金的试验研究[J]. 朴荣勋,马兰,杨绍利,曹代鹏. 钢铁钒钛. 2019(02)
[6]管内壁的粉末电爆喷涂工艺[J]. 马丽,朱亮,韩峰,陈剑虹. 金属热处理. 2019(03)
[7]等离子喷涂Cu-Al2O3复合涂层制备及摩擦学性能研究[J]. 杜三明,刘超,蔡宏章,郇庆婷,张永振. 表面技术. 2019(03)
[8]超音速火焰喷涂多尺度WC-17Co粉末制备的金属陶瓷涂层的组织结构与性能[J]. 陈枭,白小波,王洪涛,纪岗昌. 材料导报. 2019(04)
[9]脉冲激光喷涂一步合成黑色二氧化钛复合涂层[J]. 张立宪,梁砚琴,王绍丹,卢红,刘爱峰,魏强. 无机材料学报. 2019(01)
[10]合金元素对β-γTiAl合金热处理组织的影响[J]. 徐萌,张树志,赵宇,张长江,林鹏,韩建超,朱冬冬. 稀有金属材料与工程. 2019(01)
博士论文
[1]稀土元素及介质对铝基非晶合金腐蚀行为的影响研究[D]. 高明浩.中国科学技术大学 2019
[2]二元稀土氧化物复合稳定氧化锆热障涂层材料的制备及性能研究[D]. 刘怀菲.中南大学 2011
硕士论文
[1]钼表面稀土氧化物掺杂Si-B抗氧化涂层的制备及性能研究[D]. 宁璠.长安大学 2019
[2]热喷涂Co基涂层在三种液体中的气蚀性能及机理研究[D]. 任奕.河北工程大学 2018
[3]稀土改性WC/Co涂层的抗高温性能及界面第一性原理计算的研究[D]. 杭宗秋.西南交通大学 2018
[4]活性燃烧高速燃气喷涂制备纳米CeO2改性Cr3C2-NiCr涂层的工艺及性能研究[D]. 罗政.华南理工大学 2018
[5]活塞环表面MoS2/Y复合涂层的制备及摩擦性能研究[D]. 李明磊.大连理工大学 2017
[6]La2O3对等离子喷焊镍基合金涂层组织与耐高温性能的影响[D]. 王怀伟.安徽工业大学 2017
[7]表面热喷涂对提高H13钢高温耐磨性的研究[D]. 韩金成.燕山大学 2017
[8]电弧喷涂Al-Zn涂层/AZ91D固—液复合铸造界面的研究[D]. 张彦青.重庆大学 2017
[9]铁基非晶涂层的超音速火焰喷涂及抗腐蚀性能研究[D]. 蔡宏杰.华南理工大学 2017
[10]Y对Mo2FeB2基金属陶瓷的结构和性能的影响研究[D]. 任现虎.天津大学 2017
本文编号：2971084
【文章来源】：江西理工大学江西省
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
热喷涂技术原理图
第一章绪论4的优势[30-33]。图1.2所示为等离子喷涂技术原理图。图1.2等离子喷涂技术原理图电弧喷涂原理是根据等待喷涂的线材末端形成的直流或交流电弧为热源，线材受热熔化并且经过压缩空气的雾化作用后，撞击基体而沉积成涂层。通过两根线材成分上的不同以及控制使用过程中的进给速度，就能够制取出具有不同合金成分的涂层。然而，此方法的劣势为喷涂线材一定要是可以导电的焊丝，所以局限于用来制备金属涂层，这极大地约束了电弧喷涂的使用场合[34-35]。高频喷涂是一种依靠高频感应电流加热金属丝，结合压缩空气来制备涂层的工艺。具体过程是金属丝末端进入用于集中磁场的电极头部位时，会受到磁场的影响，在其内部形成涡流从而受热熔化，随后压缩空气进一步把其雾化成粒子束，撞击至基材表面上而冷凝为涂层。高频喷涂是人们最早运用的喷涂工艺之一，但因为制备过程是间接加热，所以喷涂效率不高，且必须喷涂能够导磁的材料，设备也相对笨重，故目前运用较少[36]。电爆喷涂的原理是用很短时间(≤10μs)给喷涂材料施以脉冲高压，使得其受热熔化，部分液态喷涂材料气化为等离子体，随后其立刻膨胀并发生爆炸，而还没有来得及气化的喷涂材料则会受到爆炸形成的冲击力的影响，以最高可达600m/s的速度朝四周喷射，在渗透进基体后快速冷却，这样制备的涂层和基体间会有一层过渡层，类似于“微焊接”。涂层制备过程耗时极短，且基体一般不会受到热影响，所以此法专用来喷涂气缸等内表面[37-38]。1.2.2热喷涂技术的特点与局限性从热喷涂技术原理和涂层相关性能这两个层面分析，与其它表面强化工艺相比，热喷涂技术包含如下特点[39-43]：（1）基体的选择范围广泛。倘若热喷涂工艺参数选取得当，则可供用来制备涂层的基体材料既能是水泥
第一章绪论6们的原子电子层结构特点，通常把它们分成两大类，包括轻稀土：镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)；重稀土：钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)、钪(Sc)和钇(Y)。这样划分的依据是：自钆(Gd)元素的原子开始，4f亚层中新增加电子的旋向有了变化。将钇(Y)元素列入后者的原因为Y3+的离子半径同它们的相近，并且它们的化学性质类似[44-45]。纯稀土金属通常都偏软、有延展性并能够锻造，高温中为粉末状态，且它们的化学活性极强，同O、H、C、S、P、N等元素的亲和力很强，倘若暴露在大气中会发生氧化，所以往往把它们放置于煤油里，或者放在具有惰性气体的容器内。在大自然中，稀土通常作为氧化物存在，稀土氧化物熔沸点较高，热稳定性较好[46-48]。稀土有着无与伦比的电、光、磁性能，能与其他材料组成性能各异、品种繁多的新型材料，其最显著的功能就是大幅度提高其他产品的质量和性能。由于稀土具有独特优势且不可再生，所以它们是我国珍贵的战略金属资源，目前主要应用于军事、石油、化工、玻璃陶瓷、农业、医疗、净水和交通等方面，被赞誉为“新材料之母”，图1.3是稀土在新材料领域中的应用示意图[49-51]。图1.3稀土在新材料领域中的应用示意图1.3.2稀土元素的作用在涂层中添加一定含量的稀土能够起到优化涂层的显微组织结构，提高涂层的显微硬度以及耐磨性能，增强涂层和基体间的结合性能等作用[52]。（1）细化晶粒这是由于稀土非常容易和涂层中其余元素产生反应，生成相对稳定并且熔点较高的化合物，成为新的结晶晶核，从而提高了晶粒数量。加之稀土元素和原材料新生成的化合物，容易镶嵌于晶界中，这能够阻止晶粒进一步生长，起到了细化晶粒的作用。而且，
【参考文献】：
期刊论文
[1]稀土复合掺杂ZrO2陶瓷涂层抗Na2SO4+NaVO3热腐蚀性能的研究进展[J]. 陈超,梁艳芬,梁天权,满泉言,罗毅东,张修海,曾建民. 中国腐蚀与防护学报. 2019(04)
[2]爆炸喷涂高铝青铜磷光自敏发光复合涂层及其摩擦学性能[J]. 李文生,赵文杰,何玲,胡春霞,唐丽芳. 中国有色金属学报. 2019(07)
[3]“热喷涂技术及工程应用”专题序言[J]. 贺定勇. 表面技术. 2019(04)
[4]单相双稀土改性SrZrO3热障涂层的热物理性能[J]. 马伯乐,马文,黄威,白玉,贾瑞灵,董红英. 无机材料学报. 2019(04)
[5]废SCR钛基脱硝催化剂铝热还原重熔制备含铬钛铝基合金的试验研究[J]. 朴荣勋,马兰,杨绍利,曹代鹏. 钢铁钒钛. 2019(02)
[6]管内壁的粉末电爆喷涂工艺[J]. 马丽,朱亮,韩峰,陈剑虹. 金属热处理. 2019(03)
[7]等离子喷涂Cu-Al2O3复合涂层制备及摩擦学性能研究[J]. 杜三明,刘超,蔡宏章,郇庆婷,张永振. 表面技术. 2019(03)
[8]超音速火焰喷涂多尺度WC-17Co粉末制备的金属陶瓷涂层的组织结构与性能[J]. 陈枭,白小波,王洪涛,纪岗昌. 材料导报. 2019(04)
[9]脉冲激光喷涂一步合成黑色二氧化钛复合涂层[J]. 张立宪,梁砚琴,王绍丹,卢红,刘爱峰,魏强. 无机材料学报. 2019(01)
[10]合金元素对β-γTiAl合金热处理组织的影响[J]. 徐萌,张树志,赵宇,张长江,林鹏,韩建超,朱冬冬. 稀有金属材料与工程. 2019(01)
博士论文
[1]稀土元素及介质对铝基非晶合金腐蚀行为的影响研究[D]. 高明浩.中国科学技术大学 2019
[2]二元稀土氧化物复合稳定氧化锆热障涂层材料的制备及性能研究[D]. 刘怀菲.中南大学 2011
硕士论文
[1]钼表面稀土氧化物掺杂Si-B抗氧化涂层的制备及性能研究[D]. 宁璠.长安大学 2019
[2]热喷涂Co基涂层在三种液体中的气蚀性能及机理研究[D]. 任奕.河北工程大学 2018
[3]稀土改性WC/Co涂层的抗高温性能及界面第一性原理计算的研究[D]. 杭宗秋.西南交通大学 2018
[4]活性燃烧高速燃气喷涂制备纳米CeO2改性Cr3C2-NiCr涂层的工艺及性能研究[D]. 罗政.华南理工大学 2018
[5]活塞环表面MoS2/Y复合涂层的制备及摩擦性能研究[D]. 李明磊.大连理工大学 2017
[6]La2O3对等离子喷焊镍基合金涂层组织与耐高温性能的影响[D]. 王怀伟.安徽工业大学 2017
[7]表面热喷涂对提高H13钢高温耐磨性的研究[D]. 韩金成.燕山大学 2017
[8]电弧喷涂Al-Zn涂层/AZ91D固—液复合铸造界面的研究[D]. 张彦青.重庆大学 2017
[9]铁基非晶涂层的超音速火焰喷涂及抗腐蚀性能研究[D]. 蔡宏杰.华南理工大学 2017
[10]Y对Mo2FeB2基金属陶瓷的结构和性能的影响研究[D]. 任现虎.天津大学 2017
本文编号：2971084
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