重熔时间及涂层厚度对火焰热喷涂件疲劳性能的影响

摘要

热喷涂技术做为一种表面强化技术，是表面工程技术的重要组成部分，一直是我国重点推广的新技术项目，随着科技发展，热喷涂技术目前在国内外已取得了比较广泛的推广应用。为了保证热喷涂构件的使用性能，以往人们主要关注的是热喷涂件的耐磨损性、耐腐蚀性、耐高温隔热性、电学、光学等性能，对热喷涂件整体疲劳性能及影响因素方面研究较少。本文通过对热喷涂成形过程及影响热喷涂件疲劳性能关键因素方面的系统研究，取得了如下成果:
　　1.分析了热喷涂涂层微观成形机理，研究了热喷涂的燃烧火焰特性、喷涂粒子的速度特征及喷粉熔滴飞行过程中的氧化行为，确定了喷涂试样合理的工艺方案及参数。
　　2.通过试验研究了不同重熔条件下火焰热喷涂件的弯扭疲劳性能，并对试样的宏观断口、微观断口、涂层组织成分、极限应力、疲劳扩展面积等方面进行了分析研究。结果表明:重熔时间长短是影响火焰热喷涂件疲劳性能的关键因素之一。当重熔时间合理时，火焰热喷涂件的弯扭疲劳寿命最长。当重熔时间不足时，涂层中Ni粉及Si粉颗粒大多没有熔融，Si粒与空气中的O发生化学反应生成SiO2颗粒。同时，涂层表面强度、涂层内聚力、涂层与基体结合力均不强，导致疲劳寿命较短。当重熔时间过长时，涂层中的Si再次与O发生化学反应生成SiO2颗粒，成主要疲劳裂纹源，且保温时间越长，颗粒越大，致使疲劳寿命降低。
　　3.基体试样与重熔合理试样在弯扭疲劳试验中的疲劳裂纹扩展区面积S的对数(lgS)与疲劳寿命Nf的对数（lgNf）成线性正比关系，相关系数分别为0.992和0.994。由此可以推断:对于火焰热喷涂重熔合理试样及基材试样可尝试根据扩展区面积来推算疲劳寿命。
　　4.经不同重熔时间处理后涂层表面主要组成相为Cr7C3、Ni、Cr3Ni5Si2、CrB、Ni3B。随着重熔时间的变化，涂层表面硬质相的含量会出现变化。当重熔时间过长后涂层表面硬质相的含量明显降低。
　　5.涂层厚度是影响火焰热喷涂件疲劳寿命的又一关键因素。对所设计试样而言，其合理的涂层厚度为0.25 mm。当涂层厚度大于0.25 mm时，热喷涂件的拉压疲劳寿命随厚度的增加而呈现总体下降的趋势，热喷涂件的拉压疲劳寿命与涂层中非金属颗粒及孔隙的数量及平均大小密切相关。涂层厚度合理时，涂层表面及界面相对于中间涂层部分承受较大的轴向拉压载荷，热喷涂件的拉压疲劳寿命在合理的重熔条件下，高于基体40Cr试样的疲劳寿命。这一试验结果说明研究火焰热喷涂件的疲劳寿命具有实际的应用价值。
　　6.重熔时间也是决定火焰热喷涂件涂层磨损性能及涂层表面硬度的关键因素。经重熔2 min、5 min、10 min及12 min后涂层表面显微硬度分别为:340 HV、385 HV、455 HV及400 HV。涂层磨损体积分别为:3.734×107μm3、3.50974×107μm3、3.029×107μm3及3.266×107μm3。以上实验结果表明:当重熔时间合理时，涂层表面显微硬度及涂层耐磨损能力最强。同时分析表明:涂层的磨损机理主要为磨粒磨损和疲劳磨损。
　　7.应用一种能将高周疲劳和低周疲劳统一表征的能量形式表征参量对不同重熔处理下热喷涂件的低周疲劳寿命进行了预测，预测结果与试验结果符合较好。说明:应用能量法则来进行疲劳寿命的预测能够揭示疲劳损伤的本质，具有较高的准确性，并且物理意义明确，对疲劳寿命评估具有重要的实际意义。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究的目的和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 疲劳与疲劳断裂理论概述

1．2．2 热喷涂技术的发展及现状

1．2．3 热喷涂涂层组织结构研究现状

1．2．4 工艺参数对涂层性能的影响及研究现状

1．2．5 涂层性能主要研究方向及研究现状

1．2．6 疲劳寿命预测方法

1．3 本文研究的主要内容与方法

1．4 本章小节

第2章 火焰热喷涂微观成形机理与工艺方案

2．1 热喷涂涂层形成原理及方法分类

2．1．1 涂层形成原理

2．1．2 热喷涂方法分类

2．2 热喷涂工艺特点

2．3 燃烧火焰特性

2．4 喷涂粒子的速度特征

2．4．1 粒子的加速方程

2．4．2 影响粒子加速的因素

2．4．3 焰流与喷涂粒子传热特性

2．5 金属合金熔滴飞行过程中的氧化行为

2．5．1 金属氧化的基础

2．5．2 热喷涂金属粒子的氧化

2．5．3 减少热喷涂金属粒子氧化的措施

2．5．4 热喷涂涂层结构特点

2．6 火焰热喷涂工艺研究及试样工艺方案确定

2．6．1 火焰热喷涂工艺研究

2．6．2 试样工艺方案确定

2．7 本章小结

第3章 重熔对热喷涂件疲劳性能的影响

3．1 弯扭疲劳性能分析

3．1．1 试验设备

3．1．2 弯扭疲劳试验

3．1．2 重熔对火焰热喷涂件弯扭疲劳力学性能的影响

3．2 试样断口微观结构组织分析

3．3 疲劳扩展区面积与疲劳寿命的关系

3．4 重熔处理后各涂层表面主要成分分析

3．5 本章小结

第4章 涂层厚度对火焰热喷涂件疲劳性能的影响

4．1 拉压疲劳强度及寿命分析

4．2 拉压疲劳力学性能分析

4．3 拉压疲劳载荷与变形能的关系

4．4 拉压疲劳断口显微组织分析

4．4 各不同厚度涂层中非金属颗粒物及孔隙的数量及大小

4．5 本章小结

第5章 重熔对涂层疲劳磨损性能的影响

5．1 涂层磨损试验

5．1．1 试验设备

5．1．2 试验材料和方法

5．2 涂层磨损结果

5．3 涂层磨损表面微观形貌

5．4 涂层表面显微硬度分析

5．5 涂层的失效形式及机理分析

5．6 不同重熔涂层的摩擦系数分析

5．7 本章小结

第6章 热喷涂件疲劳寿命预测

6．1 概论

6．2 低周疲劳寿命预测的能量模型

6．2．1 已有模型回顾

6．2．2 三参数幂函数能量方法寿命预测模型

6．3 应用能量方法预测热喷涂件的疲劳寿命

6．3．1 低周疲劳试验结果

6．3．2 结‘论

6．4 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 主要结论

7．2 研究展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录