等离子喷涂铸铁粒子在软质金属基体上的沉积行为研究

发布时间：2020-05-07 12:56

【摘要】：在软质金属材料上制备耐磨涂层可以大幅度提升其应用空间和服役时间。灰铸铁较低的成本和其中石墨的自润滑作用,以及等离子喷涂技术的高效率和灵活性,使得利用等离子喷涂技术制备灰铸铁涂层成为改善软质金属表面耐磨性的有效方法。在服役过程中涂层的结合强度,即涂层-基体间的结合是决定涂层是否脱落失效的关键因素。基于热喷涂涂层的形成及结构特征,涂层的微观结构和性能主要受单个粒子沉积行为的影响,即形成的扁平粒子形貌、粒子-基体及粒子-粒子间的结合对涂层的微观结构和性能起着决定性作用。因此,本研究利用大气等离子喷涂技术分别在抛光的三种常见软质金属材料(铝、镁合金、黄铜)基体表面沉积单个铸铁粒子,系统研究喷涂功率、喷涂距离以及基体预热温度对单个铸铁粒子形貌、粒子-基体间结合的影响。利用数值计算方法研究不同基体初始温度下粒子与基体间的换热过程。基于实验和计算结果,探讨分析扁平铸铁粒子形貌的形成规律以及粒子-基体间的结合机制。得出以下结论:1.对铸铁粒子形貌的研究表明:(1)在铝基体上沉积的铸铁粒子,当铝基体温度为室温时,大部分粒子呈现飞溅状;然而当铝基体初始温度增加至150℃时,大部分粒子为圆盘状;继续升高基体预热温度至300℃时形成星形飞溅状粒子,而且出现粒子中心凹陷现象。(2)当铜基体温度为25℃时,所有铸铁粒子都发生了飞溅,而且出现“甜甜圈”形貌的粒子;当基体温度升至150℃时,约80%的粒子呈现射线状飞溅;继续升高基体初始温度至300℃时,92%粒子为近似圆盘状。(3)镁基体温度25℃时,大部分粒子呈不规则飞溅形貌,当温度升至150℃时,约65%的粒子为中心凹陷形貌,部分粒子呈现花瓣形貌;基体温度为300℃时,约85%的粒子呈现分层铺展形貌,而其他粒子呈现为圆盘状形貌。2.结合粒子截面照片以及AFM观测出的喷涂粒子晶粒尺寸理论计算出熔滴-基体界面接触热阻,建立考虑实际热阻和相变的二维传热模型,通过有限元数值计算熔滴和基体的温度变化,综合EDS以及刮涂-热镶结果,对粒子-基体结合界面结构的研究表明:(1)当铝基体初始温度为室温时,粒子-基体间结合力较弱;而当基体预热温度升高至150℃以上时,粒子与基体间结合得到改善;基体预热到300℃时,基体表面出现了明显的塑性变形而凹陷,与此同时粒子边缘部位出现了“倒钩状”结构,使粒子-基体间的结合得到进一步的提升。(2)当镁合金基体温度为25℃时,粒子-基体以机械结合为主;当基体预热至150℃时,基体凹坑最大深处为5.1±0.2?m;当基体预热到300℃时,最大凹坑深度增至6.2±0.1?m,结合进一步加强。(3)黄铜基体从室温至300℃预热时,粒子-基体间以机械结合为主,结合性能较差。
【图文】：

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图 1.1 常见的大气等离子喷涂示意图述喷涂涂层结构等离子喷涂涂层是由大量微观尺度的扁平单个粒子（s结构。通常，在扁平粒子层间存在有层间孔洞，裂纹以缺陷。另外，在粒子内部除了存在有效结合的区域外还部裂纹。典型涂层微观结构如图 1.2 所示。

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长安大学硕士学位论文2图 1.1 常见的大气等离子喷涂示意图1.2 研究背景综述1.2.1 大气等离子喷涂涂层结构宏观尺度的等离子喷涂涂层是由大量微观尺度的扁平单个粒子（splat）堆叠起来的，呈现典型的层状结构。通常，在扁平粒子层间存在有层间孔洞，裂纹以及层间氧化物（对于金属粒子）等缺陷。另外，在粒子内部除了存在有效结合的区域外还存在其粒子内部氧化物，粒子内部裂纹。典型涂层微观结构如图 1.2 所示。图 1.2 等离子喷涂涂层微观结构示意图：（1）扁平粒子，，（2）层间孔隙，（3）球状孔隙，（4）层间氧化物，（5）粒子内部氧化物，（6）粒子内裂纹，（7）有效结合区域作为涂层的结构基元
【学位授予单位】：长安大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG174.4

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