超音速等离子喷涂Cu-14ALX涂层摩擦磨损性能研究

摘要

本课题组开发的新型高铝青铜(Cu-14Al-X)的铝含量被提高到12％～16％，还加入了Fe、Ni、Mn、Co等合金元素。经实验证明：Cu-14Al-X组织理想，物理、化学、机械与摩擦磨损性能相对传统铝青铜均有显著提高。为了降低Cu-14Al-X的成本以及拓宽其应用范围，课题组将合金制成粉末并采用各种方法将其制备成工件表面保护层，以实现更好的工业化推广应用。本文采用超音速等离子喷涂技术(HEPJet)制备Cu-14Al-X涂层，并对涂层的摩擦磨损性能进行研究。同时，在相同的摩擦条件下，与前期研究已制备好的激光熔覆层和等离子喷焊层进行对比。
　　 采用金相显微镜、电子探针、X射线衍射仪、显微硬度计对三种Cu-14Al-X涂层的显微组织进行了研究。结果表明：不同熔敷工艺对涂层的组织形貌、成分、硬度都有明显的影响。超音速等离子喷涂层的粒子基本上呈扁平状，变形充分，极少粒子成球状，涂层比较均匀、致密、层状结构明显，K相主要以点状形式分布在基体上；激光熔敷层的组织更加细小、致密，K相弥散地分布在白色基体上；等离子喷焊层的组织较粗大、复杂，K相主要是尺寸较大的黑色树枝状及块状。三种涂层中铁的含量差异较为明显，等离子喷焊层的铁含量高达23.15％，是激光熔覆层的3倍、超音速等离子喷涂层的5倍。而显微硬度由高到低依次是：激光熔敷层380HV；超音速等离子喷涂层360HV；等离子喷焊层260HV。
　　 采用MMW-1万能摩擦磨损试验机对超音速等离子喷涂层分别进行了干摩擦和边界润滑条件下的摩擦磨损实验。实验结果表明：超音速等离子喷涂层在边界摩擦条件下的磨损形式比较稳定，低载(100N～420N)时主要表现为磨粒磨损，540N载荷下伴有轻微的粘着磨损。而干摩擦条件下的磨损比较复杂，低载(100N～200N)时的磨损机制为粘着磨损，中载(300N～420N)时磨损机制主要表现为粘着磨损和磨粒磨损，高载540N时，磨损机制又变为粘着磨损。超音速等离子喷涂层在干摩擦与边界摩擦条件下，均具有良好的减摩性能，并且该减摩性能在高载条件下表现得更为优异。边界摩擦条件下各载荷所对应的磨损率均明显小于干摩擦条件下的磨损率。随着载荷的增加，边界润滑条件下的磨损率缓慢而均匀地减小，比干摩擦条件下的磨损率随载荷变化稳定得多。但均属于轻微磨损的范畴。
　　 在相同的摩擦条件下，对比了激光熔覆层，超音速等离子喷涂层、等离子喷焊层的摩擦磨损性能。对比结果表明：在滑动干摩擦条件下，激光熔覆层和超音速等离子喷涂层的摩擦系数随载荷变化降低得比较平缓，且变化趋势基本一致。等离子喷焊层的摩擦系数降低得比较剧烈，稳定性不如前两种涂层。三种高铝青铜涂层主要的磨损机制是粘着磨损以及轻微的磨粒磨损，并且载荷越大粘着磨损越严重。摩擦热使得涂层表面达到了粘着磨损机制下理想的表面结构（表面软、亚表面硬），涂层具有十分优良的减摩性能，尤其是在高载荷条件下。激光熔覆层和超音速等离子喷涂层较高的硬度很好地维持了涂层的力学性能，从而保证了涂层较低的磨损率。激光熔覆层的磨损率在10-10mm3kg-1mm-1数量级上，比超音速等离子喷涂层和等离子喷焊层低了一个数量级，但三种涂层在干摩擦条件下均为轻微磨损。激光熔覆层的耐磨性最好，且随载荷的增大，耐磨性最稳定。超音速等离子喷涂层的耐磨稳定性与激光熔覆层基本一样，但耐磨性略低于激光熔覆层。等离子喷焊层在低载时的耐磨性与超音速等离子喷涂层相差不大，但高载时的耐磨性较差，540N对应的磨损量为激光熔敷层的4.5倍左右、是超音速等离子喷焊层的3.5倍左右，并且不具有耐磨稳定性。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 现代表面工程概述

1.1.1 表面工程的发展

1.1.2 表面工程的分类

1.1.3 表面涂镀技术

1.2 摩擦磨损概述

1.2.1 摩擦的分类

1.2.2 磨损的分类

1.2.3 用于耐磨减摩目的的表面镀覆层

1.3 铜合金及铜基粉末在表面工程中的应用现状

1.3.1 铝青铜的发展及应用

1.3.2 铜基合金粉末的种类

1.3.3 铜合金及其铜基粉末的研究现状

1.4 选题意义及研究内容

1.4.1 选题意义

1.4.2 研究内容

第2章 实验内容及方法

2.1 Cu-14Al-X涂层的制备

2.1.1 超音速等离子喷涂层的制备

2.1.2 激光熔敷层及等离子喷焊层的制各

2.2 Cu-14Al-X涂层摩擦磨损实验

2.2.1 超音速火焰喷涂层的摩擦磨损实验

2.2.2 激光熔敷层及等离子喷焊层的摩擦磨损实验

2.3 实验结果检测

2.3.1 涂层组织检测

2.3.2 摩擦磨损性能检测

第3章 Cu-14Al-X涂层的组织

3.1 涂层组织观察

3.2 涂层EPMA面分析

3.3 涂层的物相分析

3.4 涂层的显微硬度

3.5 小结

第4章 超音速等离子喷涂Cu-14Al-X涂层的摩擦磨损性能

4.1 超音速等离子喷涂Cu-14Al-X涂层的摩擦磨损实验结果

4.1.1 摩擦系数

4.1.2 磨损量

4.1.3 磨损率

4.1.4 摩擦力

4.2 超音速等离子喷涂Cu-14Al-X涂层磨损表面检测

4.2.1 磨损表面形貌检测

4.2.2 磨损表面微区成分检测

4.3 分析与讨论

4.3.1 干摩擦条件下超音速等离子喷涂层的摩擦磨损机理

4.3.2 边界摩擦条件下超音速等离子喷涂层的摩擦磨损机理

4.4 小结

第5章 激光熔覆层、超音速等离子喷涂层及等离子喷焊层摩擦磨损性能对比

5.1 摩擦磨损实验结果对比

5.1.1 摩擦系数对比

5.1.2 磨损量对比

5.1.3 磨损率对比

5.1.4 摩擦力对比

5.2 磨损表面检测对比

5.2.1 磨损表面形貌检测

5.2.2 磨损表面微区成分检测

5.3 分析与讨论

5.3.1 组织对高铝青铜涂层摩擦磨损性能的影响

5.3.2 温度、硬度对高铝青铜粉体涂层摩擦磨损性能的影响

5.4 小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录 攻读硕士期间发表的论文