面向再制造的高速电弧喷涂铁基非晶纳米晶涂层制备与表征

摘要

再制造工程是以产品全寿命周期理论为指导,以提升废旧产品性能为目标,以优质、高效、节能、节材、环保为准则,以先进技术和产业化生产为手段,修复、改造废旧产品的-系列技术措施或工程活动的总称。高速电弧喷涂技术作为再制造工程关键技术之一,在机械零部件再制造中发挥了极其重要的作用。铁基非晶/纳米晶合金作为一种新型材料,具有高的强度和韧性,良好的耐磨和耐蚀性能及低成本等特点,在再制造工程领域中具有广阔的应用前景。
　　 本文自主研发了具有强非晶形成能力的铁基粉芯丝材,基于自动化高速电弧喷涂技术制备了FeCrBSiMnNbY非晶纳米晶涂层和FeBSiNb非晶涂层,实现了非函纳米晶涂层的制备与成形一体化。研究了非晶纳米晶涂层的微观结构,分析了涂层中非晶/纳米晶的形成机制及低氧化物含量的形成机理,探讨了不同条件下涂层的抗冲蚀性能和摩擦学性能,为非晶/纳米晶涂层在再制造工程中的应用提供了科学依据和理论基础。主要研究成果如下:
　　 研制了直径为2mm的低成本、强非晶形成能力两种铁基粉芯丝材。基于电弧喷涂弧区的快速、动态冶金过程,实现了铁基非晶/纳米晶涂层的制备。研究了涂层的组织结构和力学性能。结果表明:FeCrBSiMnNbY涂层的组织主要由非晶相和α Fe(Cr)纳米晶相组成,纳米晶尺寸为15～96nm,均匀分布于非晶母相上。涂层非晶相含量为63.5％,孔隙率为1.7％；且具有高的硬度、弹性模量和结合强度。FeBSiNb涂层组织基本由单一的非晶结构组成；其组织均匀,结构致密,孔隙率较低(≤1.4％).与基体结合良好(结合强度≥57.4MPa),玻璃转化峰值温度为574℃,且具有较低氧化物含量(≤2 at.％)。涂层的硬度为16.42 GPa,横向断裂强度为282 MPa。研究了不同退火温度下FeBSiNb非晶涂层组织及力学性能。当退火温度低于600℃时,随着温度的升高,涂层中非晶相含量逐渐降低,纳米晶尺寸不断增大,硬度和弹性模量逐渐升高,耐磨性能也随之提高。经650℃热处理后,涂层的组织主要由αFe、Fe23B6和Fe3B三相组成.
　　 探讨了FeBSiNb非晶涂层中低氧化物含量的形成机理.实验表明:喷涂雾化粒子在飞行过程中及涂层形成过程中均很少发生氧化；基于材料热力学分析,研究了涂层在沉积过程中的抗氧化机制,建立了涂层在沉积过程中抗氧化模型。由于喷涂过程中B元素发生选择性氧化生成了具有挥发性的B2O3,在液滴表面形成一层保护膜,阻断了氧气的进入,从而形成低氧化物含量的非晶涂层。利用红外热像仪、Spraywatch粒子检测仪、差热分析仪等表征方法揭示了电弧喷涂层纳米晶的形成机制。结果表明,喷涂过程中,涂层表面实时温度远低于其玻璃转变温度；电弧喷涂纳米晶是由原位形核和抑制晶粒长大条件下生成的；其形成主要是合理的成分组成和快速凝固工艺共同作用结果,并非后续喷涂粒子对已沉积层二次退火机制形成的。
　　 研究了非晶/纳米晶涂层在不同参数下的抗冲蚀性能和摩擦学性能。结果表明,随着入射粒子速率和冲蚀角度的增加,非晶/纳米晶涂层的抗冲蚀性能逐渐降低；但随着温度的升高,其抗冲蚀性能随之增加。涂层的失效形式主要为脆性剥落机制。随着外加载荷、磨损线速度以及磨损时间的增加,涂层的磨损量均随之增大。FeBSiNb非晶涂层具有良好的耐磨性能:干摩擦和油润滑条件下,其相对耐磨性分别为3Cr13涂层的5.7倍和6倍。基于接触区域表面和次表面分析,提出了其失效过程模型,揭示了非晶/纳米晶涂层的磨损失效机制。
　　 建立了材料设计-喷涂工艺-路径规划-厚涂层制备之间的关系；制备了厚度为10mm的FeBSiNb块状非晶涂层。非晶涂层具有低氧化物含量、良好的润湿性和高的结合强度等特点以及最佳的工艺参数和喷涂路径,为厚涂层的制备提供了理论依据。成功地将FeBSiNb非晶涂层应用于装备零件的再制造修复,效果良好。低成本、高性能铁基非晶/纳米晶涂层研制为装备零件成形制造与再制造的应用奠定了材料与技术基础。

目录

文摘

英文文摘

上海交通大学学位论文答辩决议书

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 非晶合金的研究现状

1.2.1 非晶合金的历史与发展

1.2.2 非晶合金设计思想

1.2.3 非晶合会的结构特征及其形成机理

1.2.4.Fe基非晶合金

1.2.5 非晶纳米晶复合材料

1.3 热喷涂技术制备非晶/纳米晶涂层研究

1.3.1 热喷涂技术的发展历程

1.3.2 热喷涂技术制备非晶/纳米晶涂层的分类

1.3.3 等离子喷涂非晶/纳米晶涂层研究现状

1.3.4 高速火焰喷涂非晶/纳米晶涂层研究现状

1.3.5 高速燃气喷涂非晶/纳米晶涂层的研究现状

1.3.6 电弧喷涂技术制备非晶/纳米晶涂层研究

1.4 本文的研究内容

第二章 粉芯丝材的研制及涂层表征方法

2.1 粉芯丝材的研制

2.1.1 非晶/纳米晶涂层合金体系的设计

2.1.2 粉芯丝材制备

2.2 非晶/纳米晶涂层的制备

2.3 涂层的组织结构及性能表征

2.3.1 涂层的微观组织和相结构分析

2.3.2 喷涂粒子特征研究

2.3.3 孔隙率测定

2.3.4 涂层的热分析

2.3.5 涂层的结合强度

2.3.6 涂层的微观力学性能

2.4 涂层的冲蚀磨损特性测试及分析

2.5 涂层的滑动磨损特性测试及分析

2.6.小结

第三章 电弧喷涂铁基非晶/纳米晶涂层组织结构与力学性能

3.1 引言

3.2 FeCrBSiMnNbY非晶纳米晶涂层的组织结构分析

3.2.1 涂层的组织形貌

3.2.2 涂层相组成

3.2.3 涂层TEM分析

3.2.4 涂层晶化行为分析

3.3 FeCrBSiMnNbY非晶纳米晶涂层的力学性能

3.3.1 涂层的显微硬度与弹性模量

3.3.2 涂层的结合强度

3.4 FeBSiNb非晶涂层的组织结构分析

3.4.1 涂层的相结构分析

3.4.2 涂层的组织形貌分析

3.4.3 涂层的TEM分析

3.4.4 FeBSiNb合金非晶形成能力分析

3.4.5 FeBSiNb非晶涂层热稳定分析

3.5 FeBSiNb非晶涂层的力学性能研究

3.5.1 FeBSiNb非晶涂层的显微硬度

3.5.2 FeBSiNb非晶涂层的微观力学性能

3.5.3 FeBSiNb非晶涂层的结合强度

3.6 热处理对FeBSiNb非晶涂层组织结构及力学性能的影响

3.6.1 热处理对FeBSiNb非晶涂层相结构的影响

3.6.2 热处理对FeBSiNb非晶涂层微观组织的影响

3.6.3 热处理对FeBSiNb非晶涂层力学性能的影响

3.7 小结

第四章 低氧化物非晶涂层的形成机理及纳米晶形成机制研究

4.1 引言

4.2 电弧喷涂低氧化物含量铁基非晶涂层的形成机理研究

4.2.1 实验过程

4.2.2 喷涂粒子氧化行为分析

4.2.3 涂层沉积过程氧化行为分析

4.2.4 涂层截面形貌氧化行为分析

4.2.5 液滴中氧化膜的形成过程

4.2.6 FeBSiNb合金氧化热力学分析

4.3 电弧喷涂铁基纳米晶涂层形成机制的研究

4.3.1 实验过程

4.3.2 结果及讨论

4.4.小结

第五章 电弧喷涂铁基非晶/纳米晶涂层抗冲蚀性能研究

5.1 引言

5.2 攻角的影响

5.3 入射粒子速度的影响

5.4 环境温度的影响

5.5 涂层冲蚀机理分析

5.5.1 低温下涂层冲蚀机理分析

5.5.2 高温下涂层冲蚀机理分析

5.5.3 影响非晶/纳米晶涂层高温冲蚀磨损抗力的因素

5.6.小结

第六章 非晶/纳米晶涂层摩擦学性能研究

6.1 引言

6.2 干摩擦条件下非晶/纳米晶涂层的磨损性能

6.2.1 不同参数作用下涂层的磨损性能

6.2.2 不同材料耐磨性能分析

6.2.3 H/E对涂层耐磨性的影响

6.2.4 η(Elastic/Etotal)值对涂层耐磨性能的影响

6.2.5 涂层表面失效形貌分析

6.2.6 涂层截面失效形貌分析

6.3 油润滑条件下铁基非晶/纳米晶涂层的磨损性能

6.3.1 不同参数作用下涂层的磨损性能

6.3.2 涂层失效形貌分析

6.4 热处理后铁基非晶/纳米晶涂层的磨损性能

6.5 电弧喷涂铁基非晶/纳米晶涂层的失效机制

6.5.1 疲劳剥层失效

6.5.2 表面磨损

6.5.3 氧化磨损

6.6 小结

第七章 块体非晶涂层的制备及其应用

7.1 FeBSiNb块状非晶涂层的制备

7.2 材料先进性分析及应用

7.3 小结

主要结论及创新点

参考文献

发表的学术论文及申请的专利

致谢