SHS等离子喷涂制备FeAlO-AlO-Fe纳米复合涂层的研究

摘要

本文采用机械团聚法将微米级原始粉体(Fe2O3和Al)制成用于等离子喷涂的复合粉体。根据自蔓延高温合成(SHS)反应，将复合粉体送入等离子焰流发生自反应，沉积形成厚度为500μm左右的复合涂层。对涂层的显微组织、显微硬度、断裂韧性、耐磨性进行检测与分析，同时对反应机理进行了研究。 通过研究分散剂、粘结剂、烘干温度对复合粉体物理性能的影响得出：分散剂选择无水乙醇，粘结剂选择水溶性的聚乙烯醇，分散剂和粘结剂的烘干温度分别选择100℃和50℃，粘结剂含量为3wt％的工艺所制得的复合粉体流动性好，尺寸分布范围小，形状规则性高。 SEM和XRD检测结果表明：涂层呈现以层状FeAl2O4尖晶石和Al2O3陶瓷为骨架，球形金属Fe(部分FeAl)为弥散相的复合组织；TEM检测结果表明：涂层为纳米复合涂层，FeAl2O4为等轴纳米晶，Al2O3和金属相均为球形纳米晶。 通过计算裂纹临界扩展能量GC定性地测得涂层的断裂韧性，结果表明，复合涂层的断裂韧性比普通Al2O3涂层的断裂韧性提高了近150％。 在干摩擦磨损条件下，尤其在高载荷作用下，复合涂层的耐磨性明显高于普通Al2O3涂层。磨损过程中，低载荷作用下涂层主要发生应力疲劳引起的层状剥落以及部分的粘着磨损；高载荷的作用下主要发生磨粒磨损，涂层表面几乎全部被粘着物所覆盖，表面铁的氧化物能起到自润滑作用，降低了涂层的摩擦系数，提高了涂层的耐磨性。 分析了反应机理并建立了反应模型，复合粉体间铝热还原反应是分步进行的，部分反应发生在基体上；等离子焰流的雾化作用以及较大的冷却速度，为纳米复合涂层的形成提供了有利的因素。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

§1-1热喷涂技术概况

1-1-1热喷涂基本原理及分类

1-1-2热喷涂发展及现状

§1-2自蔓延高温合成(SHS)技术概况

1-2-1 SHS的基本原理及特点

1-2-2 SHS研究的进展

§1-3 SHS反应热喷涂技术概况

1-3-1 SHS反应热喷涂技术进展

1-3-2反应等离子喷涂技术概况

1-3-3反应热喷涂的问题与展望

§1-4复合粉体制备的研究状况

§1-5纳米复合涂层的制备

1-5-1纳米材料的发展概况

1-5-2纳米涂层的制备现状

§1-6开题依据及意义

1-6-1开题依据

1-6-2本课题研究的意义

§1-7主要研究内容

第二章实验方法及设备

§2-1制粉设备及材料

2-1-1制粉设备

2-1-2试验用原始粉末

§2-2涂层制备工艺

2-2-1喷涂试样的制备

§2-3检测样品的制备

2-3-1涂层金相试样的制备

2-3-2涂层断口试样的制备

2-3-3透射电镜(TEM)样品的制各

§2-4 Fe-Al2O3-FeAl2O4复合涂层显微硬度的测量

§2-5摩擦磨损试验

§2-6涂层的腐蚀试验

§2-7涂层检测设备

第三章Fe2O3/Al复合粉体制备工艺的研究

§3-1粘结剂的选择

§3-2 Fe2O3/Al复合粉体制备工艺及其优化

3-2-1机械团聚法制备复合粉的工艺

3-2-2复合粉体形貌分析及物相鉴

3-2-3制粉工艺参数的优化

本章小结

第四章FeAl2O4-Al2O3-Fe复合涂层的制备及其工艺的优化

§4.1 FeAl2O4-Al2O3-Fe复合涂层的结构与组成

4-1-1 FeAl2O4-Al2O3-Fe复合涂层的结构及相分析

4-1-2涂层表面形貌的分析

4-1-3涂层中的缺陷

§4-2 FeAl2O4-Al2O3-Fe复合涂层的TEM分析

4-2-1复合涂层的TEM像

§4-3涂层质量的影响因素及优化

4-3-1喷涂功率的影响

4-3-2复合粉体配比的影响

4-3-3喷涂距离对涂层的影响

4-3-4其它影响因素

本章小结

第五章涂层的断裂韧性及摩擦学性能

§5-1基于涂层显微硬度测定断裂韧性

5-1-1涂层显微硬度的测定及压痕观察

5-1-2涂层断裂韧性的测定

5-1-3复合涂层的韧性与其它材料的对比

5-1-4复合涂层的增韧机制

§5-2涂层耐腐蚀性能及腐蚀机理

§5-3涂层的摩擦磨损性能

5-3-1自反应复合涂层与普通Al2O3涂层耐磨性的比较

5-3-2磨损形貌分析

5-3-3磨损特性及磨损机理的分析

本章小结

第六章反应热力学计算及反应机理的研究

§6-1反应热力学计算

§6-2反应机理及动力学模型的建立

6-2-1反应机理

6-2-2反应动力学

6-2-3反应模型的建立

本章小结

第七章结论

参考文献

致谢

攻读学位期间所取得的相关科研成果