液中脉冲放电制备ZrC陶瓷涂层的研究

摘要

液中脉冲放电沉积技术作为不同于传统技术的一种工艺方法，具有其优异的特点，可以广泛应用在模具、汽车和航空等制造领域。然而采用液中脉冲沉积技术制备ZrC陶瓷涂层的研究在国内外的报道很少。进行这方面的研究有助于促进液中脉冲沉积技术的发展和进步。 本文采用液中脉冲放电沉积技术以高熔点金属Zr作为阳极在航空煤油中进行脉冲放电，在基体45＃钢表面制备ZrC陶瓷硬质涂层。用X射线衍射仪分析涂层的相结构；用扫描电镜观测涂层表面形貌；用能谱仪线扫面分析涂层界面的成分变化；用MVK-H3显微硬度计测量涂层平均硬度；用MPX-2000摩擦磨损试验机进行涂层的摩擦磨损试验。并将ZrC陶瓷硬质涂层的主要性能与采用相同技术制备的TiC陶瓷涂层的主要性能进行对比。本文的主要工作和结论如下： 1．通过设置合理的液中脉冲放电参数可以制备出ZrC涂层，涂层中所含的主要物相是ZrC，其含量越高，ZrC涂层强化效果就越好；从涂层到基体，Zr元素和Fe元素呈梯度分布，Zr元素含量递减，Fe元素含量递增，实现了冶金结合；从涂层到基体，涂层的平均硬度亦是递减，涂层厚度约为20μm，其表面硬度可高达2000HV。 2．峰值电流和脉冲宽度是影响涂层形成与涂层性能的主要因素。在其它因素不变的条件下，在一定的电流或脉宽变化范围内都存在一个硬度最大值。对比ZrC、TiC两种陶瓷涂层的性能发现：当峰值电流为8A时，TiC涂层的硬度达到最大，而ZrC涂层的硬度达到最大时，峰值电流为16A；在脉冲宽度为20μs时，TiC涂层硬度达到最大，ZrC涂层硬度达到最大，所需脉冲宽度却为60μs。 3．液中脉冲放电沉积ZrC涂层形成的机制主要是电喷镀和电化学反应两者的综合作用。脉冲放电过程中工作介质煤油被加热而分解，释放出游离碳C，电极材料熔化电离的zr离子和C结合形成ZrC。 4．ZrC涂层和TiC涂层的正交试验结果对比表明：ZrC涂层优化的放电参数匹配为，峰值电流12A，脉冲宽度40μs，脉冲间隔100μs，极间距离20μm，涂层硬度可达2300HV以上；而TiC涂层优化的放电参数匹配为，峰值电流5A，脉冲宽度12μs，脉冲间隔120μs，极间距离30μm，涂层硬度可达2200HV左右。制备ZrC涂层所需的放电能量要比制备TiC涂层的高。 5．将采用液中脉冲放电制备的ZrC和TiC两种涂层与45＃钢三者的摩擦磨损试验结果进行对比说明：两种涂层的磨痕均为典型的平行犁沟状，表明涂层的磨损机制为磨粒磨损，摩擦系数与磨损量均较小。用液中脉冲放电沉积制备的表面涂层的磨损失重量是未处理表面的(1/8～1/10)左右。表面涂层使得基体材料表面的耐磨性得到了较大的提高。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究背景及意义

1.1.1研究背景

1.1.2研究意义

1.2国内外文献综述

1.2.1陶瓷涂层及其应用

1.2.2陶瓷涂层制备技术

1.3液中脉冲放电沉积技术的研究

1.4课题来源

1.5研究内容

1.6研究方法及技术路线

1.7创新与改进

第二章ZrC陶瓷涂层的制备与分析

2.1 ZrC涂层制备

2.1.1电火花脉冲放电工作原理

2.1.2试验设备

2.1.3电极选取

2.1.4工作液介质选择

2.1.5脉冲放电沉积极性选择

2.1.6脉冲放电沉积的影响因素

2.2 ZrC涂层分析

2.2.1 ZrC涂层结构分析

2.2.2 ZrC涂层形貌分析

2.2.3 ZrC涂层成分分析

2.2.4 ZrC涂层硬度分析

2.3本章小结

第三章液中脉冲放电制备ZrC涂层的机理

3.1脉冲放电的蚀除机理

3.1.1极间介质的电离、击穿和等离子体通道形成

3.1.2介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀

3.1.3电极材料的抛出

3.1.4极间介质的消电离

3.2脉冲放电的沉积机理

3.2.1脉冲放电的沉积过程

3.2.2 ZrC形成的热力学条件

3.3本章小结

第四章脉冲放电制备涂层的工艺优化

4.1脉冲放电沉积工艺参数的研究

4.1.1峰值电流的影响

4.1.2脉冲宽度的影响

4.1.3脉冲间隔的影响

4.1.4脉冲放电时间的影响

4.1.5放电极间间隙的影响

4.1.6放电参数对表面粗糙度的影响

4.2正交优化实验

4.3本章小节

第五章ZrC陶瓷涂层的摩擦与磨损

5.1引言

5.2试验内容

5.2.1磨损试样的制备与装配

5.2.2试验设备

5.2.3试验步骤

5.3试验结果及分析

5.3.1涂层的摩擦学特性

5.3.2涂层的磨损特性

5.3.3涂层的磨损形貌

5.4本章小结

结论

参考文献

读硕士期间发表的论文

致谢