等离子喷涂铁基非晶涂层结构与性能研究

发布时间：2017-05-11 17:07

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【摘要】：非晶材料以其优异的性能日益受到关注。尽管目前可以制备出大块非晶材料,但由于苛刻的制备条件而导致其制备成本高而无法广泛应用。热喷涂涂层制备过程中,由于喷涂粒子的快速冷却特性,使其成为制备非晶涂层的一种有效方法。本文利用等离子喷涂制备Fe基非晶涂层,系统研究喷涂参数、热处理对Fe基非晶涂层微观结构、耐磨损性能及耐腐蚀性能的影响规律。探讨Fe基非晶涂层微观结构、耐磨及耐蚀行为的演变机制。鉴于涂层中的孔隙对涂层性能的不利影响,通过向Fe基非晶涂层中添加非晶Mo基合金形成Fe/Mo复合涂层、对Fe基非晶涂层进行激光重熔处理,以期减少或消除涂层中的孔隙、提高涂层的结合强度,研究Mo基合金添加和激光重熔处理对Fe基非晶涂层的微观结构及性能的影响规律。Fe基非晶涂层研究结果表明:(1)喷涂功率对Fe基非晶涂层的形成产生显著影响。增加喷涂功率有利于形成致密结构的涂层,但伴随着少量晶化相的产生;而主气(Ar)流量对Fe基非晶涂层形成的影响不明显。理想的喷涂工艺参数为:喷涂电压50 V,喷涂电流300 A,主气压力0.7 MPa,主气流量80 L/min,喷涂距离100 mm。制备的Fe基非晶涂层非晶含量高达93%;(2)在573 K对Fe基非晶涂层热处理过程中,非晶组织只发生结构弛豫,而没有新晶相产生。在873 K热处理后,Fe基非晶涂层中析出了Fe、Fe2B、Fe2O3和B0.44C1.41Cr3等晶相,其晶粒尺寸在60 nm左右,非晶相含量减小,并且涂层的硬度和耐磨性得到提高。然而,在1023 K热处理条件下,Fe基非晶涂层几乎全部晶化,晶粒已经长大到微米级,涂层表面出现了大量裂纹,其耐磨性能显著降低;(3)盐雾腐蚀试验表明:Fe基非晶涂层主要发生缝隙腐蚀,腐蚀主要产生于涂层孔隙位置;(4)磨损实验结果表明,磨损主要以涂层粒子的断裂和脱落、以及硬质颗粒犁削为主。通过对Fe/Mo复合涂层研究发现,由于Mo基合金具有自粘性能和良好导热性能,随着Mo基合金加入量的增加,复合涂层孔隙率降低,结合强度提高了10 MPa。磨损过程中,Fe/Mo复合涂层中粒子断裂和脱落显著减少,耐磨性能显著提高。由于涂层致密度提高,缝隙腐蚀几率降低,随着Mo基合金量的增加,Fe/Mo复合涂层在NaCl溶液中的腐蚀电流密度显著降低。对Fe基非晶涂层进行激光重熔处理后,Fe基非晶涂层中的孔隙得到消除,熔池深度达到涂层厚度,涂层与基体间产生冶金结合。激光重熔层中有较多晶化相形成,透射电镜下观察到晶粒分布在非晶基体中。尽管重熔层在凝固后有极其细小的气孔和少量裂纹产生,但相比等离子喷涂涂层,重熔层在NaCl和HCl溶液中的腐蚀电流密度降低了约20倍,说明孔隙率降低对涂层耐腐蚀性能提高的影响明显超过了非晶含量降低的影响。在干摩擦条件下,激光重熔层的磨损机制转变为单一的磨粒磨损。激光重熔Fe/Mo复合涂层的研究表明:Mo基粒子与Fe基粒子得到完全融合,复合涂层中的孔隙完全消除,重熔层组织致密度提高。激光重熔Fe/Mo复合涂层XRD图谱中出现了明显的晶化峰。激光重熔Fe/Mo复合涂层中Mo和Ni等促进形成稳定钝化膜的元素含量的提高,以及涂层中孔隙的消除,使得其在NaCl和HCl溶液中极化曲线上出现了明显的钝化区,且具有较低的维钝电流密度,重熔层耐腐蚀性能显著提高。
【关键词】：Fe基非晶 等离子喷涂 涂层 耐磨性 耐蚀性
【学位授予单位】：长安大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG174.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-23
• 1.1 选题背景及意义11-12
• 1.2 非晶合金12-18
• 1.2.1 非晶合金发展史12-13
• 1.2.2 非晶形成理论13-14
• 1.2.3 非晶涂层技术14-15
• 1.2.4 等离子喷涂技术15-16
• 1.2.5 Fe基非晶涂层国内外研究现状16-18
• 1.2.6 Mo合金性质以及在涂层中的应用18
• 1.3 激光重熔技术18-20
• 1.3.1 激光重熔原理及特点18-19
• 1.3.2 激光处理工艺流程19
• 1.3.3 激光重熔技术在涂层制备中的应用19-20
• 1.4 本论文的主要内容20-23
• 第二章 实验方案与研究方法23-34
• 2.1 Fe基非晶涂层制备过程23-26
• 2.1.1 等离子喷涂设备及工作原理23-24
• 2.1.2 喷涂粉末24-25
• 2.1.3 等离子喷涂工艺25-26
• 2.2 Fe/Mo复合涂层制备过程26-27
• 2.2.1 复合粉末制备26
• 2.2.2 复合涂层制备工艺26-27
• 2.3 非晶涂层表面激光重熔处理27-28
• 2.3.1 激光重熔设备27-28
• 2.3.2 激光重熔工艺28
• 2.4 粉末、涂层性能的表征28-34
• 2.4.1 粉末、涂层组织结构28
• 2.4.2 涂层非晶含量测定28-30
• 2.4.3 涂层硬度测定30
• 2.4.4 涂层结合强度测试30-31
• 2.4.5 涂层差热分析31-32
• 2.4.6 涂层孔隙率测定32
• 2.4.7 涂层热处理32
• 2.4.8 涂层耐蚀性能测试32-33
• 2.4.9 涂层摩擦磨损性能测试33-34
• 第三章 等离子喷涂Fe基非晶涂层微观结构与性能研究34-53
• 3.1 Fe基非晶粉末与涂层相结构34-37
• 3.2 APS工艺参数对Fe基非晶涂层微观结构的影响37-39
• 3.2.1 APS喷涂电流对涂层微观结构的影响37-38
• 3.2.2 APS主气流量对涂层微观结构影响38-39
• 3.3 APS工艺喷涂参数对Fe基非晶涂层相组成影响39-42
• 3.3.1 APS喷涂电流对涂层相组成的影响39-41
• 3.3.2 APS气体流量对涂层相组成的影响41-42
• 3.4 不同喷涂电流下非晶涂层腐蚀性能42-44
• 3.4.1 非晶涂层在NaCl溶液中的腐蚀性能42-43
• 3.4.2 非晶涂层在HCl溶液中的腐蚀性能43-44
• 3.5 Fe基非晶涂层晶化及其摩擦磨损性能44-51
• 3.5.1 Fe基非晶涂层差热分析44-47
• 3.5.2 不同温度热处理后Fe基非晶涂层相组成47-48
• 3.5.3 Fe基非晶涂层热处理后的硬度48-49
• 3.5.4 Fe基非晶涂层热处理后的摩擦磨损性能49-50
• 3.5.5 Fe基非晶涂层热处理后磨损机理分析50-51
• 3.6 本章小结51-53
• 第四章 等离子喷涂Fe/Mo非晶复合涂层微观结构与性能研究53-71
• 4.1 等离子喷涂Mo基非晶纳米晶涂层微观结构及热稳定性能53-56
• 4.1.1 Mo基非晶涂层微观结构53-54
• 4.1.2 Mo基粉末与涂层相组成54-55
• 4.1.3 Mo基非晶涂层热稳定性能55-56
• 4.2 Fe/Mo复合涂层微观结构及性能研究56-69
• 4.2.1 Fe/Mo复合涂层能谱分析56-58
• 4.2.2 Fe/Mo复合涂层微观结构58-60
• 4.2.3 Fe/Mo复合涂层相组成60
• 4.2.4 复合涂层结合强度60-61
• 4.2.5 复合涂层摩擦磨损性能61-64
• 4.2.6 复合涂层在NaCl溶液中极化曲线64-66
• 4.2.7 复合涂层在NaCl溶液中腐蚀机理66-69
• 4.3 本章小结69-71
• 第五章 激光重熔等离子喷涂Fe基非晶涂层的微观结构与性能71-88
• 5.1 激光重熔等离子喷涂Fe基涂层工艺优化71-73
• 5.2 激光重熔等离子喷涂Fe基涂层微观形貌73-76
• 5.2.1 激光重熔层表观形貌73-75
• 5.2.2 激光重熔层截面形貌75-76
• 5.3 激光重熔等离子喷涂Fe基涂层微观组织及能谱分析76-80
• 5.3.1 激光重熔等离子喷涂层截面能谱分析76-77
• 5.3.2 激光重熔层微观组织分析77-80
• 5.4 激光重熔等离子喷涂Fe基涂层相组成80-81
• 5.5 激光重熔等离子喷涂Fe基涂层的耐腐蚀性能81-84
• 5.6 激光重熔等离子喷涂Fe基涂层的摩擦磨损性能84-87
• 5.7 本章小结87-88
• 第六章 激光重熔等离子喷涂Fe/Mo复合涂层的微观结构与腐蚀性能88-95
• 6.1 等离子喷涂复合涂层激光重熔前后相组成变化规律88-89
• 6.2 等离子喷涂复合涂层激光重熔前后微观形貌89-91
• 6.2.1 复合涂层激光重熔前后截面形貌89-90
• 6.2.2 复合涂层激光重熔后表面形貌90-91
• 6.3 等离子喷涂复合涂层激光重熔后耐腐蚀性能91-94
• 6.4 本章小结94-95
• 结论及展望95-98
• 参考文献98-104
• 攻博期间发表的论文104-105
• 致谢105

【参考文献】

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1 卢文欢;吴玉萍;张晶晶;洪晟;何志华;李改叶;;等离子喷涂Fe基合金涂层的耐蚀性[J];金属热处理;2010年08期

2 杨武;A. Pourbaix;;铬和钼对钢的局部腐蚀发展过程的影响[J];中国腐蚀与防护学报;1983年01期

3 李宏祥;许凤光;王善林;李承;;Mo对铁基块体非晶合金Fe_(71.2-x)C_(7.0)Si_(3.3)B_(5.5)P_(8.7)Cr_(2.3)Al_(2.0)Mo_x腐蚀性能的影响[J];铸造;2010年02期

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1 刘洛夫;铁基非晶合金涂层的等离子喷涂工艺及其组织性能研究[D];天津大学;2008年

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