钛合金表面激光-等离子体复合喷涂耐磨耐蚀涂层研究

摘要

现代航空工业的迅速发展，对于飞机整体质量的稳定性提出了更高要求，轻质灵活、高性能、长寿命成为重要的追求目标。钛合金以其质量轻、强度高、抗腐蚀等优异性能备受航空工业装备的青睐，但钛合金耐磨损性差的特点使其应用受到一定局限。在钛合金表面制备热喷涂耐磨防护涂层是一种高效而灵活的提升构件使用性能的方法，尤其适用于现役航空装备的钛合金构件。然而热喷涂涂层的结合力低和内部组织间存在的孔隙裂纹一直是导致涂层剥落失效的主要原因，因此如何提升热喷涂涂层的结合力与组织致密性成为国内外学者研究的热点和难点;另外，随着航空装备性能要求越来越高，服役环境越来越苛刻，尤其海洋环境下的在役飞机、舰载机、预警机等装备，它们对表面防护涂层的要求也日趋攀升，单一抗磨损涂层往往因不能抵抗海洋环境的腐蚀破坏而失效，从而彻底失去对构件的保护作用。
　　本研究主要针对现代航空战斗机钛合金构件（例如滑轨、起落架等所用的TC18材料）对耐磨耐蚀防护涂层的迫切需求，首先根据激光热源与等离子热源特性，对其复合方式进行原理设计与试验，构建起最利于涂层沉积的复合热源喷涂系统;突破了热源能量密度分布均匀性技术，实现了热源束流品质优化;并根据目标涂层需求，以碳化物陶瓷为核心成分对喷涂材料进行一系列优化匹配，进行高结合力耐磨耐蚀复合功能涂层的制备;借助高速摄像、X射线衍射(XRD)、光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、涂层拉伸试验、高温摩擦磨损(SRV)、球盘式摩擦磨损、中性盐雾腐蚀(NSS)等测试手段和方法对涂层沉积过程、成分、组织、性能进行测试分析;研究涂层组织结构基本性能对于涂层耐磨耐蚀性能影响规律;研究激光-等离子体复合热源喷涂工艺的沉积机理及涂层耐磨耐蚀失效机理，并与等离子喷涂工艺沉积机理及同种涂层失效机理进行了对比研究。从而克服传统热喷涂涂层因结合力低、孔隙裂纹多易导致剥落失效的缺陷;克服钛合金构件表面传统热喷涂单一功能的耐磨防护涂层常因环境腐蚀破坏而过早失效的问题;有效延长了防护涂层的服役寿命，可间接提升飞机的战斗力和安全性。
　　通过对激光-等离子体复合热源喷涂WC-10Co4Cr涂层的沉积工艺过程和微观组织结构、结合界面成分等进行测试，研究分析了复合热源喷涂工艺的沉积机理。与传统热喷涂工艺相比，复合热源喷涂工艺很好地实现了涂层的冶金结合，大幅提升了涂层结合力和组织致密性。在激光-等离子体复合热源喷涂工艺过程中，激光热源的加入发挥了两个重要作用:(1)与等离子体焰流共同加热喷涂粉末，使喷涂粒子（包括陶瓷粒子）熔融更充分;(2)加热待喷涂表面形成微熔池。因此使得喷涂粒子与待喷涂表面间形成液-液界面接触，在等离子喷涂气流的加速和雾化作用下，熔融态粒子与微熔待喷涂表面扩散融合，很好地实现了涂层与基体间以及涂层内部组织间的冶金结合(其中，涂层与基体成分在结合界面处相互融合扩散的过渡区厚度为30～40μm)，突破了传统热喷涂涂层以机械结合为主的沉积方式，此工艺对于制备抗磨损抗腐蚀复合功能涂层更具优势。
　　通过NiCrCr3C2与NiCrAlY粉末不同比例的复合，分别利用等离子喷涂工艺和激光-等离子体复合热源喷涂两种工艺，针对TC18钛合金基体进行耐磨耐蚀涂层优化制备与研究。当NiCrCr3C2和NiCrAlY两种粉末的重量百分比为40∶60时，涂层的综合性能达到一个优异水平。其中，复合喷涂涂层很好地实现了冶金结合，在组织致密性(孔隙率≤0.5％)、结合力（达到200MPa以上）、均匀性、耐磨耐蚀性能上都较传统的等离子喷涂涂层有了较大提升。
　　利用激光-等离子体复合热源喷涂工艺制备了40％TiC-60％NiCrAlY耐磨耐蚀涂层，涂层表现出非常优异的抗磨损抗腐蚀性能。当CeO2添加后，它有效改善了涂层的致密性和组织均匀性，从而使涂层抗磨损抗腐蚀性能得到更进一步提高，尤其当CeO2添加量为0.8％时，涂层综合性能最优。
　　研究结果显示，三种碳化物陶瓷材料相比，TiC较WC与Cr3C2具备更好的复合热源喷涂适应性，这是由于TiC为面心立方结构，具有很高的相结构稳定性和较低的反应自由能，其高温稳定性和化学稳定性明显优于WC与Cr3C2。在激光-等离子体复合热源喷涂沉积过程中，喷涂粒子要受到来自等离子体热源与激光热源的双重加热作用时，TiC可较其他两种粉末保持更好的复合喷涂适应性，同时良好的化学稳定性又为其优异的抗腐蚀性能提供了保障。因此在复合热源喷涂的三类涂层中，含有TiC涂层的抗磨损抗腐蚀性能最优。
　　综上所述，本研究自主构建起了激光-等离子体复合热源喷涂系统，验证了本工艺可很好地实现涂层的冶金结合，与传统等离子喷涂工艺相比，大幅提升了涂层组织致密性和结合力;利用激光-等离子体复合热源喷涂工艺所制备的40％NiCrCr3C2-60％NiCrAlY涂层以及40％TiC-59.2％NiCrAlY-0.8％CeO2涂层，同时实现了优异的耐磨耐蚀复合功能，已用于高推比航空飞机钛合金滑轨部件表面对其进行防护，涂层有效克服了传统热喷涂单一耐磨涂层因环境腐蚀导致过早失效的弱点，为苛刻服役环境下航空飞机钛合金构件的防护提供有力的支持。

目录

声明

摘要

主要符号表

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．1．1 热喷涂涂层技术在航空工业中的重要性

1．1．2 航空钛合金构件对高性能防护涂层的迫切需求

1．2 国内外研究现状

1．2．1 钛合金表面防护技术发展现状

1．2．2 工艺局限性问题

1．2．3 腐蚀导致耐磨涂层过早失效问题

1．3 本文主要研究思路

1．3．1 研究目的

1．3．2 主要研究内容

2 激光-等离子体复合热源喷涂系统构建

2．1 复合热源喷涂系统的构建

2．1．1 复合热源喷涂概念与内涵

2．1．2 等离子喷涂与激光加工的特点

2．1．3 热源复合关键技术研究

2．1．4 复合热源喷涂系统与装置

2．2 工艺试验

2．3 激光-等离子体复合喷涂系统改进

2．3．1 复合热源喷涂束流传输模式优化

2．3．2 激光束流能量均匀化传输方案制定与优选

2．3．3 优化后复合热源喷涂系统组装与试验

2．4 本章小结

3 复合热源喷涂材料体系设计与涂层组织性能表征方法

3．1 复合热源喷涂材料体系选择

3．1．1 基体材料选择

3．1．2 耐磨耐蚀涂层材料体系选择

3．2 涂层组织性能表征

3．2．1 涂层微观组织表征

3．2．2 涂层孔隙率表征

3．2．3 涂层显微硬度表征

3．2．4 涂层成分测试

3．2．5 涂层表面形貌及成分测试表征

3．2．6 喷涂层结合强度实验

3．2．7 视觉图像采集系统

3．2．8 抗腐蚀性能表征

3．2．9 抗摩擦磨损性能表征

3．3 本章小结

4 WC-10Co4Cr涂层制备与复合喷涂工艺沉积机理研究

4．1 复合热源喷涂工艺

4．1．1 喷涂试验设备与材料

4．1．2 基材表面预处理

4．1．3 粉末预处理

4．1．4 工艺参数选取

4．2 涂层试验结果

4．2．1 XRD及表面元素分析

4．2．2 涂层宏观形貌及其微观组织结构

4．2．3 涂层孔隙率

4．2．4 涂层结合强度

4．2．5 沉积过程中焰流形态

4．2．6 涂层表面粒子SEM形貌对比分析

4．3 机理分析

4．3．1 热喷涂涂层的结合机理分析

4．3．2 传统的热喷涂涂层沉积机理

4．3．3 复合热源喷涂工艺沉积机理

4．4 本章小结

5 NiCrCr3C2-NiCrAlY涂层性能及失效机理研究

5．1 喷涂材料及工艺参数优化

5．1．1 喷涂材料配比

5．1．2 涂层喷涂沉积工艺参数

5．2 涂层组织与基本性能测试结果与分析

5．2．1 涂层微观组织

5．2．2 涂层显微硬度

5．2．3 涂层孔隙率

5．2．4 涂层结合强度

5．2．5 涂层XRD测试结果

5．3 涂层抗摩擦磨损性能测试结果与分析

5．3．1 球盘摩擦磨损性能测试结果

5．3．2 涂层高温摩擦磨损性能测试结果与分析

5．3．3 涂层抗高温摩擦磨损失效机理分析

5．4 涂层抗腐蚀性能测试结果及其失效机理分析

5．4．1 涂层NSS腐蚀结果

5．4．2 极化曲线测试结果

5．4．3 涂层腐蚀失效机理研究

5．5 本章小结

6 复合热源喷涂TiC-NiCrAlY涂层组织性能研究

6．1 材料配比优化与涂层制备

6．1．1 喷涂材料配比与制备

6．1．2 添加稀土氧化物后材料配比与制备参数

6．2 涂层组织与基本性能测试结果与分析

6．2．1 涂层成分测试结果(XRD)

6．2．2 涂层微观组织结构测试结果与分析

6．2．3 涂层基本性能测试结果与分析

6．3 涂层耐磨性能测试结果与失效机理分析

6．3．1 涂层SRV(800℃)摩擦磨损性能

6．3．2 涂层球盘磨损结果与失效机理分析

6．4 涂层抗腐蚀性能测试结果与失效机理分析

6．5 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介