冷喷涂纳米结构cBN-NiCrAl金属陶瓷涂层的显微结构与力学性能的研究

发布时间：2018-01-30 16:06

本文关键词： cBN-NiCrAl 机械合金化冷喷涂显微结构力学性能　出处：《西安交通大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：金属陶瓷涂层由于具有优异的耐磨损性能与耐腐蚀性能因而在采矿、钻探、机械加工等工业领域得到了广泛应用。在超音速火焰喷涂和爆炸喷涂等金属陶瓷涂层常规制备工艺中,金属粘结相的熔化过程会导致粉末在沉积过程中发生诸如增强相分解、增强相向液态金属粘结相溶解、纳米颗粒消失、粉末氧化等有损涂层性能的转变。冷喷涂是一种采用高速气体在较低的温度下加速粒子,使其在完全固态下通过充分的塑性变形而沉积的新型涂层制备技术。较低的气体温度(800℃)可以使粉末避免常规热喷涂工艺中的热影响,较高的粒子速度(~300-1200 m·s-1)有利于获得组织致密的涂层。因此,冷喷涂是制备高性能金属陶瓷涂层的潜在有效方法。但目前对于金属陶瓷粉末沉积行为、粒子高速碰撞过程中显微结构演变、后热处理对粒子间结合界面和硬质相/粘结相结合界面等会显著影响金属陶瓷涂层性能等方面的系统性研究较少。对于陶瓷相含量一定的金属陶瓷材料,整体材料的硬度随陶瓷相颗粒的硬度增加而增加,耐磨损性能也随之增强。因此,本文以超硬的立方氮化硼(cBN)陶瓷颗粒为增强相(50-60 GPa)、以NiCrAl合金为基体材料,通过机械合金化方法制备复合粉末,系统的研究了冷喷涂金属陶瓷复合粉末的机械合金化制备规律。通过冷喷涂沉积复合涂层,研究了粒子参量和粉末结构对冷喷涂沉积行为的影响规律及冷喷涂粒子高速撞击过程中cBN-NiCrAl复合粒子显微结构和力学性能的变化规律;研究了热处理温度对涂层中cBN-NiCrAl界面结合及粒子间结合、涂层显微结构和力学性能的影响规律;通过两体磨粒磨损试验测试了冷喷涂cBN-NiCrAl复合涂层的耐磨性能并考察了主要磨损机制。研究提出一种“阶梯状”的机械合金化方法,解决了高体积陶瓷相含量金属陶瓷复合粉末制备过程中粉末粒度随球磨时间迅速减小的难题。通过“阶梯状”机械合金化方法球磨40 h后可获得cBN在NiCrAl合金基体中均匀分布,平均粒径为22mm、NiCrAl合金基体晶粒尺寸为27 nm、cBN颗粒呈纳米、亚微米多尺度分布的40vol.%cBN-NiCrAl复合粉末。通过在球磨介质表面制备NiCrAl保护层和采用“阶梯状”机械合金化方法可以使球磨介质引入的Fe污染从10.9wt.%降低到2.2wt.%。阐明了机械合金化金属陶瓷复合涂层的冷喷涂沉积规律。结果表明采用机械合金化工艺制备的20vol.%、40vol.%cBN-NiCrAl复合粉末通过冷喷涂可以沉积获得结构致密,与基体结合良好的复合涂层。以cBN-NiCrAl复合粉末和微米级cBN的混合粉末沉积涂层时,一定数量的微米级cBN可沉积到了涂层中,使复合涂层中的cBN含量可以进一步增加到60vol.%。在相同的气体温度下,随着粒子速度的增加,复合粉末的沉积效率逐渐增加。由于沉积效率较低时未沉积粒子对涂层撞击引发了更为显著的加工硬化效应,因此较低速度的粒子对应涂层的硬度更高。发现了机械合金化金属陶瓷复合粉末冷喷涂沉积中不符合随粒子硬度增加沉积效率降低的规律。研究结果表明,粒子显微结构对粒子的沉积行为具有显著影响,硬度较高的纳米晶粉末和纳米结构金属陶瓷复合粉末中的大量晶界和cBN/NiCrAl异质界面对高速撞击产生的弹性波的散射作用导致粒子撞击的弹性能显著降低,因此出现了粉末沉积效率随粉末硬度上升而增大的现象。研究确认了纳米结构cBN-NiCrAl复合粉末在冷喷涂沉积过程中其相结构未发生显著变化、NiCrAl合金基体的纳米晶粒未发生长大,而cBN/NiCrAl界面处合金基体相发生非晶化与晶粒有序化取向的现象。cBN含量为20vol.%、40vol.%、60vol.%的复合涂层的硬度分别达到1055 HV、1172 HV及1270 HV。压痕断裂韧性测试结果表明,20 kg载荷未能在20vol.%、40vol.%cBN-NiCrAl涂层断面内诱发裂纹,60vol.%cBN-NiCrAl复合涂层的断裂韧性约为20.4 MPa·m0.5,显著高于与其硬度相当的超音速火焰喷涂WC-17Co涂层。研究发现cBN/NiCrAl界面非稳态组织极大的促进了cBN/NiCrAl界面反应,为制备纳米结构的强界面结合的复合涂层提供了依据。亚微米、纳米cBN与NiCrAl基体在热处理温度达到825℃时发生化学反应,微米尺度cBN与NiCrAl基体在热处理温度达到1000℃发生化学反应,远低于文献报道的1300-1400℃。825℃/5 h热处理后,粒子间未结合界面部分愈合,亚微米、纳米尺度cBN与NiCrAl在界面处形成厚度约为5-25 nm的锯齿状Cr_2N、Ni_3B反应层,NiCrAl合金基体的纳米晶粒也可以保留下来。涂层的硬度有所下降,涂层的断裂韧性大幅度增加。研究阐明了涂层组成及结构与热处理条件对cBN-NiCrAl复合涂层磨粒磨损性能的影响规律。随着涂层中陶瓷相含量的增加,涂层的耐磨性不断提高。750℃/5 h热处理后的20vol.%、40vol.%cBN-NiCrAl复合涂层的耐磨性最高,其次为喷涂态和825℃/5h热处理后的涂层。60vol.%cBN-NiCrAl复合涂层的耐磨性随热处理温度的升高而提高,825℃/5 h热处理后的涂层的耐磨性最高。20vol.%,40vol.%cBN-NiCrAl复合涂层的主要磨损机理为Si C磨料造成的塑性犁削,喷涂态涂层中还存在结合较弱粒子的剥落。60vol.%cBN-NiCrAl复合涂层的磨损机理主要是SiC磨料对40vol.%cBN-NiCrAl粒子的优先去除和微米尺度cBN的剥落。由于60vol.%复合涂层中突出的微米尺度cBN颗粒使磨粒无法连续压入粘结相,因此耐磨性能大幅度提高,磨损率约为超音速火焰喷涂制备的WC-12Co涂层的1/2。
[Abstract]:In this paper , the effects of thermal treatment temperature on the microstructure and mechanical properties of metal ceramic coatings are studied . The results show that the wear resistance of the coating is about 20.4 MPa 路 m0 . 5 . The wear resistance of the coating is about 20.4 MPa 路 m0 . 5 . The wear resistance of the coating is about 20.4 MPa 路 m0 . 5 . The wear resistance of the coating is up to 20 vol . % , 40 vol . % and NiCrAl composite coating .

【学位授予单位】：西安交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG174.4

【参考文献】