超音速火焰喷涂Fe-Cr基含非晶/纳米晶涂层及其抗汽蚀特征

摘要

超音速火焰(HVOF)喷涂是目前国际上先进的喷涂技术。本研究采用超音速火焰喷涂技术制备了Fe-Cr基非晶/纳米晶复合涂层，利用金相显微镜(OM)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、差示扫描量热仪(DSC)对涂层的组织结构特征进行了研究，对涂层中的非晶、纳米晶的形成进行了热力学分析；采用磁致伸缩汽蚀仪研究了涂层的抗汽蚀性特征，并与水利机械常用材料ZG06Cr13Ni5Mo马氏体不锈钢、Ni60+TiC等离子熔覆层进行了对比，建立了Fe-Cr基HVOF喷涂层的汽蚀损伤模型。 Fe-Cr基HVOF喷涂层的特征由工艺参数决定，正交实验结果表明：氧气流量、煤油流量、喷涂距离对涂层的厚度、孔隙率、显微硬度、汽蚀性均有重要影响。抗汽蚀性随喷涂距离的增加而减小，随涂层显微硬度的增加和孔隙率的减小而增加，并在氧气流量和煤气流量取得较佳配合、且两者取较大值时，获得优异的抗汽蚀性。 对涂层的显微分析表明，喷涂过程中直接得到了非晶和纳米晶，不需要后续热处理。HVOF喷涂Fe-Cr基涂层由完全熔化区(约为1000HV<,0.2>)、未熔或半熔的球形颗粒(510HV<,0.2>～700HV<,0.2>)、耐蚀白色块状组织(600HV<,0.2>)及孔隙组成；涂层致密，层状结构不明显；涂层中的相组成主要为非晶、α-Fe(Cr)纳米晶和硼化物。不同类型的硼化物以硬质相的形式分布在非晶、纳米晶基体上，纳米晶的尺寸约为10～50nm，纳米晶粒团聚在一起，形成100～500nm的团簇。硼化物主要为Cr<,2>B、CrB、Fe<,3>B、FeB、Fe<,2>B，另有少量Fe<,23>(B，C)<,6>、Fe<,1.1>Cr<,0.9>B<,0.9>。涂层中非晶的形成是由于喷涂液滴的快速冷却及合适的粉末成分；由于后续熔融液滴的堆积对已形成的涂层产生退火效应，纳米晶以均匀形核与非均匀形核的方式分别在非晶内部和非晶与硼化物的界面形成。与前人的研究结果不同，涂层中未发现氧化物的存在，表明本研究已成功制备了无氧化洁净涂层。 通过对Fe-Cr基HVOF喷涂层、ZG06Cr13Ni5Mo马氏体不锈钢和Ni60+TiC等离子熔覆层的汽蚀性对比研究，结果表明前者具有优异的抗汽蚀性；Ni60+TiC等离子熔覆层的抗汽蚀性介于其它两者之间。材料的硬度起着关键性作用，硬度高，抗汽蚀性好。Fe-Cr基HVOF喷涂层的抗汽蚀性呈现明显的汽蚀周期，与涂层的层状剥落有关。系统开展了材料汽蚀损伤过程的原位跟踪观察研究，表明汽蚀损伤起始于组织界面或相界面。对于ZG06Cr13Ni5Mo马氏体不锈钢，汽蚀破坏首先从马氏体板条界开始。Ni60+TiC等离子熔覆层的裂纹源在TiC颗粒与基体界面，并沿界面扩展，预示着提高TiC颗粒与γ-Ni基体的结合强度将提高这种复合熔覆层的抗汽蚀性。对于Fe-Cr基HVOF喷涂层，汽蚀损伤起始于未熔颗粒和孔隙与周围组织的界面。未熔颗粒的脱落通过两种方式进行，一是颗粒直接脱离本体，二是颗粒内部组织松弛、移动，最后碎裂；孔隙可作为“现成”的汽蚀坑，大大缩短汽蚀的孕育期。所观察到的疲劳辉纹表明三种材料均表现出疲劳破坏特征。汽蚀剥离粒子的尺寸与汽蚀材料的组织粗细有直接关系，组织越细，粒子尺寸越小。 首次发现了汽蚀过程中的非晶晶化现象，并基于位错模型提出了非晶晶化的冲击波机制。冲击波在非晶中传播造成“cluster”切变合并是非晶晶化的主要原因。冲击波使晶态材料破碎的机制以及冲击波的瞬时性又限制了“cluster”和晶体的过分长大。 提出了一种直观表示抗汽蚀性大小的参数：Rc(h/mg)，用以直接比较不同材料或不同涂层的抗汽蚀性；建立了Fe-Cr基HVOF喷涂层汽蚀损伤的理论模型，抗汽蚀性Rc可表示为：Rc=C·γ/d-δ，即在超声振动频率、振幅、流体温度等恒定的情况下，抗汽蚀性Rc仅与界面断裂能γ和摊片或未熔颗粒的直径d有关，即摊片或未熔颗粒直径越小，或单位面积断裂能越大，则抗汽蚀性越好。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1本课题的研究背景

1.2表面技术及热喷涂

1.3超音速火焰(HVOF)喷涂技术

1.3.1HVOF喷涂的发展

1.3.2HVOF工作原理

1.3.3HVOF喷涂的特点

1.3.4HVOF喷涂材料

1.3.5HVOF喷涂的应用

1.4汽蚀机理研究现状

1.4.1汽蚀曲线

1.4.2汽蚀机理

1.4.3汽蚀数学模型

1.4.4汽蚀实验设备

1.5抗汽蚀材料研究及应用现状

1.5.1抗汽蚀材料发展史

1.5.2抗汽蚀新材料研究

1.5.3抗汽蚀涂层技术研究现状

1.6非晶/纳米晶材料及其涂层研究现状

1.6.1概述

1.6.2非晶涂层研究现状

1.7主要研究目标、内容、方法、研究方案及选题的意义

1.7.1研究目标

1.7.2研究内容

1.7.3研究方案

1.7.4研究的意义

1.7.5研究的创新点

参考文献

第二章 实验材料及方法

2.1实验材料

2.1.1基体材料

2.1.2喷涂粉末材料

2.1.3汽蚀对比材料

2.2Fe-Cr基非晶/纳米晶HVOF喷涂制备的实验设计

2.3试样制备及检测

2.3.1涂层的制备

2.3.2金相试样制备及检测

2.3.3X射线衍射试样制备及检测

2.3.4透射电镜试样制备及检测

2.3.5结合强度试样制备及检测

2.3.6汽蚀试样的制备及检测

2.3.7汽蚀剥离粒子粒径分布测试

2.3.8差热分析样品的制备及检测

2.3.9显微硬度实验

2.3.10孔隙率的检测

参考文献

第三章 喷涂工艺参数对涂层的影响

3.1正交实验结果与分析

3.1.1涂层综合表征

3.1.2喷涂工艺对涂层厚度的影响

3.1.3工艺参数对孔隙率的影响

3.1.4艺参数对涂层硬度的影响

3.1.5艺参数对汽蚀性的影响

3.1.6汽蚀性与孔隙率、显微硬度的关系规律

3.2综合分析与讨论

3.3本章小结

参考文献

第四章 涂层的组织、相结构与热力学分析

4.1涂层的相组成

4.1.1XRD衍射结果

4.1.2涂层中的非晶与纳米晶

4.1.3涂层中的硼化物

4.1.4分析与讨论

4.2涂层的形貌

4.2.1涂层的表观形貌

4.2.2涂层断口形貌

4.2.3涂层的组织形貌

4.2.4分析与讨论

4.3涂层的特征组织

4.3.1涂层中的未熔或半熔颗粒

4.3.2涂层中的孔隙

4.3.3涂层中的白块

4.3.4涂层中的裂纹

4.3.5分析与讨论

4.4涂层与基体的界面

4.4.1界面的成分分布

4.4.2涂层与基体的结合强度

4.4.3涂层的内聚力

4.4.4分析与讨论

4.5本章小结

参考文献

第五章 涂层与基体的显微硬度

5.1涂层的显微硬度分布

5.1.1实验结果

5.1.2分析与讨论

5.2涂层特征组织的显微硬度

5.2.1实验结果

5.2.2分析与讨论

5.3基体的显微硬度分布

5.3.1实验结果

5.3.2分析与讨论

5.4用界面压入法评价涂层的结合强度

5.5用硬度计测试涂层的断裂韧性

5.6本章小结

参考文献

第六章 Fe-Cr基HVOF喷涂层的汽蚀性特征研究

6.1Fe-Cr基HVOF喷涂层及其对比材料的汽蚀性

6.1.1实验结果

6.1.2分析与讨论

6.2Fe-Cr基HVOF喷涂层及其对比材料的汽蚀形貌特征

6.2.1宏观汽蚀形貌

6.2.2ZG06Cr13Ni5Mo马氏体不锈钢的微观汽蚀形貌

6.2.3Ni60+TiC等离子熔覆层的微观汽蚀形貌

6.2.4Fe-Cr基HVOF喷涂层的微观汽蚀形貌

6.2.5分析与讨论

6.3汽蚀损伤机理探讨

6.3.1ZG06Cr13Ni5Mo马氏体不锈钢的汽蚀机理

6.3.2Ni60+TiC等离子熔覆层的汽蚀机理

6.3.3Fe-Cr基HVOF喷涂层的汽蚀机理

6.3.4Fe-Cr基HVOF喷涂层及其对比材料的汽蚀剥离粒子特征

6.3.5分析与讨论

6.4Fe-Cr基HVOF涂层汽蚀过程中的非晶-纳米晶转变

6.4.1实验结果

6.4.2分析与讨论

6.4.3非品—纳米晶转变的冲击波机制

6.5Fe-Cr基HVOF涂层的汽蚀损伤模型

6.5.1物理模型

6.5.2数学模型

6.6本章小结

参考文献

第七章 主要结论及展望

7.1主要结论

7.2展望

致谢

攻读博士学位期间发表的论文及成果