超音速火焰喷涂金属陶瓷涂层的抗磨损和耐腐蚀性能研究

摘要

本文基于超音速火焰喷涂替代传统电镀硬铬技术的研究，以解决飞机起落架、轮轴等部件上的高效耐磨防护涂层的制备与应用性能考评。首先采用超音速火焰喷涂技术在高强结构钢表面上制备WC-10Co4Cr涂层和Cr3C2-25NiCr涂层，采用OM、SEM、EDS、XRD等分析手段研究了涂层的显微组织与物相结构以及摩擦磨损等常规表征，最后重点研究了涂层在水和沙砾环境介质中的摩擦磨损行为，系统考察了环境介质、摩擦副、载荷等不同服役条件下涂层的磨损行为及其影响规律，同时与传统硬铬镀层进行了对比研究，旨在为碳化物涂层替代硬铬镀层应用于海水、沙尘等环境气候的关键零部件表面防护提供理论基础，为航空材料涂层设计和性能提高提供参考数据。
　　 研究结果发现，经过优化工艺制备的WC-10Co4Cr涂层和Cr3C2-25NiCr涂层组织均匀致密与基材结合良好，孔隙率较低。WC-10Co4Cr涂层的主要物相为WC硬质相以及粘结相Co。而Cr3C2-25NiCr涂层主要由Cr3C2硬质相和NiCr粘结相组成，喷涂过程中粉末中的碳化物在高温焰流中发生了少量脱碳。砂带摩擦磨损试验表明，30CrMnSiA钢与SiC砂带摩擦过程中发生严重的粘着磨损使得磨损量加大，抗磨损性能不足;表面沉积陶瓷涂层可以显著增加其抗摩擦磨损性能，其中WC-10Co4Cr涂层由于高硬度的WC颗粒与高韧性的Co基结合良好使其具有优异的抗摩擦磨损性能。硬铬镀层则由于SiC磨粒的疲劳磨损使镀层表面出现裂纹和层状破碎，抗磨损性能较差。
　　 球盘干磨损试验表明，GCr15摩擦副由于硬度偏小以及铁元素润湿涂层材料，在磨擦过程中发生严重的粘着磨损，导致摩副材料大量转移至涂层摩擦表面，并使摩擦系数处于较高水平。以Al2O3作对摩副时，载荷因素对WC-10Co4Cr涂层的影响较小，摩擦系数保持在0.65左右，体积磨损率低于3×10-8mm3/N·m。而Cr3C2-25NiCr涂层和硬铬镀层由于在表面润滑膜生成和微凸体变化，使得摩擦系数呈现先增大后减小，磨损率则随着载荷加大而明显加大。
　　 电化学和盐雾试验表明，涂层和硬铬镀层对基体的腐蚀电位都有所提高，腐蚀电流则提高了1～2个数量级。陶瓷涂层在中性盐雾腐蚀试验中表现出良好的抗腐蚀性能，耐腐蚀水平明显高于硬铬镀层。
　　 砂砾-水环境下球盘磨损试验表明，水的润滑能够显著降低Cr3C2-25NiCr涂层的摩擦系数。随着载荷增大，涂层的摩擦失重机制由微切削向裂纹扩展及分层剥落转变。砂粒介质的尺寸影响着磨粒在摩擦中的参与程度，一定大小的的沙砾能够和陶瓷球摩副形成协同磨损机制;而沙砾本身也在磨损过程中发生破碎和细化。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．1．1 研究背景

1．1．2 WC陶瓷和Cr3C2陶瓷的基本性质

1．2 热喷涂概述

1．2．1 热喷涂原理及特点

1．2．2 热喷涂工艺的分类及其应用

1．2．3 高速火焰喷涂(超音速火焰喷涂)原理及特点

1．2．4 超音速火焰喷涂技术的应用

1．3 摩擦磨损的基本理论

1．3．1 摩擦的定义及分类

1．3．2 摩擦的理论及影响因素

1．3．2 磨损的理论及特点

1．4 课题国内外研究现状

1．4．1 材料干摩擦磨损

1．4．2 涂层的腐蚀研究

1．4．3 材料腐蚀环境下磨损

1．5 本课题研究主要内容和技术路线

1．5．1 研究内容

1．5．2 技术路线图

第二章 试验材料与方法

2．1 实验材料

2．1．1 基体材料

2．1．2 喷涂粉末材料

2．2 实验方法

2．2．1 喷涂方法的选择

2．2．2 喷涂前基材的处理

2．2．3 喷涂参数选择

2．3 性能检测与表征

2．3．1 涂层显微结构分析

2．3．2 涂层相组成分析

2．3．3 显微硬度测量

2．3．4 涂层结合强度测试

2．3．5 轮式摩擦磨损实验

2．3．6 球盘摩擦磨损试验

2．3．7 电化学测试

2．3．8 中性盐雾试验

第三章 涂层制备与轮式摩擦磨损性能

3．1 喷涂工艺

3．2 涂层的组织与表征

3．2．1 WC-10Co4Cr涂层的形貌和组织

3．2．2 Cr3C2-25％NiCr涂层的形貌组织

3．2．3 硬铬镀层的形貌分析

3．3 涂镀层硬度

3．4 摩擦磨损性能

3．4．1 摩擦失重分析

3．4．2 磨损行为及机理

3．5 本章小结

第四章 涂层球盘式摩擦磨损性能

4．1 摩擦对副硬度水平

4．2 GCr15钢球配对涂层的摩擦磨损性能

4．2．1 GCr15球副对涂层摩擦系数的影响

4．2．2 GCr15球副对涂层磨损率的影响

4．2．3 GCr15钢球对磨副的磨损行为研究

4．3 Al2O3陶瓷球配对涂层的摩擦磨损性能

4．3．1 载荷对摩擦系数的影响

4．3．2 载荷对不同涂镀层磨损率的影响

4．3．3 Al2O3陶瓷球对磨副的磨损行为研究

4．4 本章小结

第五章 涂层耐腐蚀性能

5．1 电化学实验

5．2 中性盐雾腐蚀试验

5．2．1 腐蚀宏观照片分析

5．2．2 盐雾腐蚀等级评定

5．2．3 盐雾腐蚀机理分析

5．3 本章小结

第六章 Cr3C2-25NiCr涂层在沙砾-水环境下的磨损性能

6．1 载荷对涂层摩擦系数和磨损失重的影响

6．2 载荷对涂层磨损机制的影响

6．3 砂粒磨损行为

6．4 本章小结

结论

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表学术论文