热处理对不同Al含量热喷涂高铝青铜涂层强化的影响

摘要

铝青铜具备铜合金的优异性能，同时还具有高强度、高硬度、高减摩耐磨性、良好的耐腐蚀性等，一般应用在拉伸模具、阀门材料、压制模具、发电厂等现代工艺领域中。然而，随着科学技术的发展，先前研究的一些Al含量较低的铝青铜合金已经远远不能够满足如今的使用需求，并且发现在基体上制备铝青铜涂层能够有效改善工件性能，这使得开发新型高铝青铜涂层具备重大的现实意义。铝青铜合金经固溶处理+时效处理能够起到消除残余应力及强化合金性能及组织的作用，因此，如何强化新型高铝青铜涂层具有一定的研究价值。
　　本文通过氧乙炔热喷涂技术在45钢基体上制备Cu-10Al-X、Cu-15Al-X和Cu-20Al-X三种不同Al含量的高铝青铜热喷涂涂层，并通过固溶时效处理对三种涂层进行后续热处理强化。试验通过不同固溶处理温度与时间、不同冷却方式及不同时效处理温度与时间研究了其对涂层组织结构、显微硬度和摩擦磨损性能的影响，确定了最佳工艺条件，制备出不同铝含量的涂层。试验采用了倒置金相显微镜和扫描电镜(SEM)表征涂层组织形貌、厚度及结合情况、EDS能谱仪与X射线衍射仪(XRD)分析涂层的物相结构、显微硬度计测量涂层显微硬度和表面综合测试性能仪检测涂层摩擦学特性，研究所得主要结论如下:
　　固溶处理:Cu-10Al-X涂层、Cu-15Al-X涂层在600℃/0.5h固溶处理后空冷及Cu-20Al-X涂层在800℃/0.5h固溶处理后空冷组织发生了变化且硬质相多于其他条件，β相(Cu3Al)溶解生成其同素异构体β'马氏体（Cu3Al2相）、α-Cu相相对减少，生成了一定的硬质相从而强化涂层。涂层显微硬度得到提升，其中Cu-15Al-X涂层提升幅度最大，并在600℃/0.5h条件下固溶处理得到了比较明显的强化，显微硬度从固溶前的159.15HV01提高到固溶处理后的258.53HV0.1,主要存在固溶强化、马氏体相变强化及过剩相强化等强化机制，水冷涂层强化效果不如空冷涂层。
　　时效处理:涂层在上述条件下固溶后空冷、400℃/1h时效处理组织与性能要优于其他时效条件。涂层主量相为α-Cu相、以Cu9Al4及Cu4Al相为代表的γ2相、β相(Cu3Al)、Al65Cu20Fe15等含Fe元素的硬质K相及致密的氧化膜Al2O3相，次量相为β、马氏体（Cu3Al2相）、Al-Ni相（AlNi3、Al4Ni3等）及Cu2O等。这些K相是由45钢基体中Fe扩散到涂层中形成的。涂层中硬质相形态表现为黑色区域中的流线型居多，其中Cu-15Al-X涂层硬质相含量多于其他两种涂层，析出更多Cu-Al相，其显微硬度提高到最大289.81HV0.1,三种涂层主要强化机制是时效沉淀强化、相变强化、过剩相强化、晶粒细化，水冷后涂层强化机制为时效强化及过剩相强化。
　　涂层摩擦学性能:涂层摩擦磨损试验条件为时间15min、载荷50N、转速500r/min和滑动距离5mm，其表现为良好的减磨耐磨性，并优于其他试验条件。(1)干摩擦条件下摩擦磨损:热处理条件为600℃/0.5h固溶处理后空冷、400℃/1h时效处理时，Cu-15Al-X涂层摩擦系数最低为0.42,要小于其他两种系列的涂层、固溶后空冷涂层及热处理前的涂层，改善了涂层减摩性;其磨损率也是三种系列涂层中最低的，大约为3.3×10-5mm3/Nm，说明涂层耐磨性得到提高。主要磨损形式为磨粒磨损和粘着磨损;(2)湿摩擦条件下摩擦磨损:在与干摩擦相同的磨损条件下添加861-136-E02润滑液使涂层减摩耐磨性能得到进一步的改善。Cu-15Al-X涂层摩擦系数降低到0.10，磨损率下降到0.18×10-5mm3/Nm。主要磨损形式为粘着磨损。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景和意义

1．2 铜合金的分类及应用

1．3 铝青铜合金组织特点及研究现状

1．3．1 铝青铜合金组织特点

1．3．2 铝青铜合金研究现状

1．3．3 高铝青铜合金发展趋势

1．4 铜合金粉末及铝青铜涂层的制备

1．4．1 铜合金粉末的制备

1．4．2 铝青铜涂层的制备

1．5 合金元素对铝青铜的影响

1．6 铜合金强化方法

1．6．1 复合材料法

1．6．2 合金化法

1．7 热喷涂技术

1．7．1 热喷涂技术分类

1．7．2 氧乙炔热喷涂技术

1．8 课题特色及主要研究内容

1．8．1 课题特色

1．8．2 主要研究内容

第二章 实验方法与工艺研究

2．1 试验材料

2．1．1 涂层粉末材料

2．1．2 打底层粉末材料

2．1．3 基体材料预处理

2．2 试验设备

2．3 制备涂层的工艺流程

2．3．1 热喷涂工艺流程

2．3．2 热处理方法及参数

2．4 打底层与涂层工艺研究

2．4．1 打底层喷涂厚度的研究

2．4．2 涂层喷涂厚度的研究

2．5 涂层表征与分析

2．5．1 涂层厚度测定

2．5．2 涂层表面、断面组织与成分检测

2．6 涂层性能检测

2．6．1 硬度测试

2．6．2 涂层摩擦磨损试验

第三章 固溶处理对热喷涂高铝青铜涂层的影响

3．1 固溶时间对Cu-10Al-X涂层显微硬度的影响

3．2 固溶处理对高铝青铜涂层的物相分析

3．2．1 Cu-10Al-X涂层物相分析

3．2．2 Cu-15Al-X涂层物相分析

3．2．3 Cu-20Al-X涂层物相分析

3．2．4 固溶处理水冷涂层物相分析

3．3 高铝青铜涂层固溶处理后组织形貌

3．3．1 Cu-10Al-X涂层组织形貌

3．3．2 Cu-15Al-X涂层组织形貌

3．3．3 Cu-20Al-X涂层组织形貌

3．3．4 固溶处理后水冷涂层组织形貌

3．4 固溶处理对高铝青铜涂层的强化作用

3．4．1 固溶处理后空冷涂层强化分析

3．4．2 固溶处理后水冷涂层强化分析

3．5 本章小结

第四章 时效处理对热喷涂高铝青铜涂层的影响

4．1 时效时间对Cu-10Al-X涂层的影响

4．1．1 不同时效时间Cu-10Al-X涂层的金相分析

4．1．2 Cu-10Al-X显微硬度分析

4．2 时效处理高铝青铜涂层的物相分析

4．2．1 Cu-10Al-X涂层物相分析

4．2．2 Cu-15Al-X涂层物相分析

4．2．3 Cu-20Al-X涂层物相分析

4．2．4 水冷涂层物相分析

4．3 高铝青铜涂层时效处理后的组织形貌

4．3．1 Cu-10Al-X涂层组织形貌

4．3．2 Cu-15Al-X涂层组织形貌

4．3．3 Cu-20Al-X涂层组织形貌

4．3．4 水冷涂层组织形貌

4．4 时效处理对高铝青铜涂层的强化作用

4．4．1 空冷涂层强化分析

4．4．2 水冷涂层强化分析

4．5 本章小结

第五章 热喷涂高铝青铜涂层的摩擦与磨损性能的研究

5．1 摩擦磨损概述

5．1．1 摩擦磨损概述

5．1．2 磨损失效主要形式

5．1．3 摩擦分类

5．2 摩擦磨损试验条件

5．3 干摩擦状态下的摩擦磨损实验

5．3．1 涂层摩擦因数的分析

5．3．2 涂层磨损率分析

5．3．3 涂层磨损后磨痕形貌分析及磨损机理的探讨

5．4 湿摩擦状态下的摩擦磨损实验

5．4．1 涂层摩擦因数的分析

5．4．2 涂层磨损率分析

5．4．3 涂层磨损后磨痕形貌分析及磨损机理的探讨

5．5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的论文

声明

致谢