镁合金等离子喷涂复合及梯度陶瓷涂层的工艺、组织和性能研究

摘要

镁合金具有许多优异的性能而得到广泛地应用,如何提高其耐蚀性、硬度、耐磨性和抗高温氧化等性能具有非常重要的现实意义,等离子喷涂陶瓷涂层可以有效地解决这些问题。本文利用大气等离子喷涂(APS)技术在AZ91D镁合金表面喷涂NiCoCrAlY粘结层,然后分别制备了不同比例的80wt％Al2O3+20wt％ZrO2(AZ20)、50wt％Al2O3+50wt％ZrO2(AZ50)、20wt％Al2O3+80wt％ZrO2(AZ80)双层结构的复合陶瓷涂层以及NiCoCrAlY-AZ50梯度陶瓷涂层。利用SEM、EDS、XRD等分析方法和性能测试手段研究了涂层的微观组织结构和性能。利用正交试验设计优化了AZ50复合陶瓷涂层的喷涂工艺参数。
　　试验表明:影响AZ50涂层结合强度的工艺参数的主次关系为:电源功率>送粉量>主气流量>喷涂距离。涂层结合强度最佳的工艺参数为:电源功率40kW,送粉量13g/min,喷涂距离70mm,主气流量55psi。优化后涂层的结合强度高达32.56MPa。影响 AZ50涂层沉积效率的工艺参数的主次关系为:电源功率>喷涂距离>送粉量>主气流量。涂层沉积效率最优的工艺参数为:电源功率40kW,送粉量13g/min,喷涂距离70mm,主气流量50psi。AZ系复合陶瓷涂层的结合强度随着ZrO2含量和涂层厚度的增加而减小。涂层的拉伸断面均发生在陶瓷层与NiCoCrAlY粘结层的结合处。
　　AZ系复合陶瓷涂层(双层结构)呈典型的层片状结构,并含有少量的气孔、微裂纹、未熔粒子等缺陷,基体与涂层之间呈机械结合。涂层主要由α-Al2O3,γ-Al2O3, t-ZrO2,t’-ZrO2和c-ZrO2组成。随着AZ系复合涂层中ZrO2含量的增加,涂层中的微裂纹、气孔和疏松组织增多,涂层中的α-Al2O3和γ-Al2O3的衍射峰强度逐渐变弱。
　　AZ系复合陶瓷涂层(双层结构)的显微硬度存在相当大的分散性,并显著地服从正态分布和Weibull分布。涂层的摩擦系数随着线性速度的增加而增加,随着载荷的增加而减少。涂层的磨损机制为粘着磨损。涂层热震失效包括裂纹的形成、扩展及最终剥落三个阶段,与涂层中的热应力和粘结层的氧化有关。随着AZ系复合陶瓷涂层中ZrO2含量的增加,涂层的结合强度、显微硬度、耐磨性和耐腐蚀性下降,而抗热震性能提高。等离子喷涂AZ系复合陶瓷涂层可以有效地提高镁合金基体的硬度、耐磨性和耐蚀性,经封孔处理后,涂层的耐蚀性更佳。
　　NiCoCrAlY-AZ50梯度涂层与双层结构的AZ50涂层相比,具有更好的耐蚀性、结合强度和抗热震性能。

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Contents

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 镁合金的特点及应用领域

1.3 镁合金应用中存在的问题及其表面改性技术

1.4 等离子喷涂

1.5 镁合金等离子喷涂陶瓷涂层存在的问题、研究现状及发展趋势

1.6 本课题的研究内容

第2章 试验材料及试验方法

2.1 试验材料

2.2 涂层的制备过程

2.3 涂层的微观组织结构分析和性能测试

第3章 等离子喷涂50wt％A12O3+50wt％ZrO2(AZ50)涂层工艺优化

3.1 引言

3.2 AZ50涂层正交试验

3.3 AZ50涂层结合强度与沉积效率、涂层厚度之间的关系

3.4 AZ50涂层拉伸断面分析

3.5 本章小结

第4章 等离子喷涂AZ系复合陶瓷涂层的微观组织结构

4.1 引言

4.2 AZ系复合陶瓷涂层的微观组织

4.3 AZ系复合粉末及其涂层的物相组成

4.4 本章小结

第5章 等离子喷涂AZ系复合陶瓷涂层的显微硬度统计分析

5.1 引言

5.2 统计分析原理简介

5.3 AZ系复合陶瓷涂层的显微硬度统计分析

5.4 本章小结

第6章 等离子喷涂AZ系复合陶瓷涂层的摩擦磨损分析

6.1 引言

6.2 AZ系复合陶瓷涂层的摩擦学分析

6.3 本章小结

第7章 等离子喷涂AZ系复合陶瓷涂层的耐腐蚀性分析

7.1 引言

7.2 实验方案

7.3 AZ系复合陶瓷涂层的耐腐蚀性分析

7.4 AZ系复合陶瓷涂层的腐蚀形貌分析

7.5 本章小结

第8章 等离子喷涂AZ系复合陶瓷涂层的抗热震性分析

8.1 引言

8.2 AZ系复合陶瓷涂层的抗热震性分析

8.3 本章小结

第9章 等离子喷涂梯度陶瓷涂层的微观组织与性能

9.1 引言

9.2 梯度涂层的微观组织

9.3 梯度涂层的耐腐蚀性

9.4 梯度涂层的抗热震性能

9.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文

致谢