适用于高速条件下纳米陶瓷涂层制备及摩擦学性能研究

摘要

现代工业生产中，许多部件应用于高速条件下，如工业应用极广泛的轴、辊、制动盘等。较高的摩擦速度会导致零部件严重磨损，降低生产效率，而对其进行表面处理有望解决这一难题。本文以微米级Al2O3-13％TiO2、造粒后的纳米Al2O3-13%TiO2及La2O3利用等离子喷涂技术，通过控制喷涂工艺参数（电流、电压、H2和Ar流量等），在20钢基体上制备了具有 Ni/Al底层的常规 Al2O3-13%TiO2涂层(AT)、纳米Al2O3-13%TiO2涂层(NAT)、纳米Al2O3-13%TiO2-1% La2O3涂层（NAT-1）、纳米Al2O3-13%TiO2-3% La2O3涂层(NAT-3)、纳米Al2O3-13%TiO2-5% La2O3涂层(NAT-5)。采用XRD、SEM、EDS等手段表征了涂层的组织结构及物相组成，利用不同的摩擦试验机测试了涂层的摩擦磨损性能。
　　本研究主要内容包括：⑴对涂层组织结构的SEM观察显示，等离子喷涂涂层呈典型的层状结构，涂层中存在着熔融区、部分熔融区、未熔区及微裂纹、孔隙等，层间以机械结合为主。在本文试验条件下，NAT-1涂层组织最为均匀，致密性最好，涂层孔隙率低至9.19%。对涂层的力学性能测试结果显示， NAT-1涂层显微硬度可达841.3 HV0.1，并且，随着涂层孔隙率的降低和增大，涂层显微硬度呈增大和降低的趋势。纳米涂层的断裂韧性优于 AT涂层，NAT-3涂层裂纹扩展力最高的为7.89 J/m2。NAT-1涂层抗拉结合强度最高的为15.97MPa。⑵在等离子喷涂过程中发生由α-Al2O3相向亚稳态γ-Al2O3相的转变，常规涂层中反应生成了Al2TiO5。纳米涂层由于 La2O3的催化作用生成了 Al3Ti合金，纳米涂层中存在着少量冶金结合。NAT-1、NAT-3涂层中存在 LaTiO3.4化合物，可对纳米涂层起到固溶强化及晶粒细化的作用，过量的La2O3则干扰纳米涂层的组织性能。⑶摩擦磨损试验结果表明，在低速和高速摩擦磨损条件下，纳米涂层的摩擦磨损性能均优于20钢基体及AT涂层。随着滑动速度的增大，涂层摩擦系数均明显降低，La2O3的加入优化了涂层性能，进而降低摩擦系数。在低速摩擦磨损条件下，随着转速的增大，涂层的磨损率增大，La2O3的加入量超过3%时，涂层摩擦磨损性能急剧下降，低于3%添加量则磨损性能良好。在高速摩擦磨损条件下，涂层磨损率下降，添加1% La2O3的 NAT-1涂层的磨损率最低，波动较小。GCr15材料转移至涂层表面，与涂层磨屑共同形成的转移膜有保护涂层的作用。⑷低速及高速摩擦条件下，摩擦副的磨损机制以 GCr15材料的粘着磨损和涂层的裂纹扩展导致的疲劳剥落磨损为主。高速摩擦时，涂层表面转移层存在轻微的磨粒磨损。La2O3的添加量影响涂层孔隙率、硬度及断裂韧性，是影响纳米陶瓷涂层摩擦磨损性能的重要因素。

目录

第1章 绪 论

1.1材料的磨损及表面工程技术

1.2纳米表面工程

1.3热喷涂技术

1.4等离子喷涂纳米陶瓷涂层的研究进展

1.5稀土材料在热喷涂中的应用

1.6研究意义及主要内容

第2章 试验方法及设备

2.1试验材料

2.2涂层制备方法

2.3涂层性能表征

2.4涂层的摩擦磨损试验

第3章 陶瓷涂层的制备与表征

3.1概述

3.2等离子喷涂陶瓷涂层的微观结构分析

3.3等离子喷涂陶瓷涂层的力学性能研究

3.4本章小结

第4章 涂层的摩擦磨损性能

4.1概述

4.2低速条件下涂层摩擦磨损性能

4.3涂层的高速摩擦磨损性能

4.4本章小结

第5章 结 论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果