WC-Co热喷涂层力学性能与残余应力研究

摘要

WC-Co热喷涂涂层技术是国内外的一个研究焦点。WC-Co涂层技术可望成为解决重大装备关键零部件耐磨的关键技术。国内外学者对WC-Co材料热喷涂工艺、涂层组织结构以及常温性能，进行了大量的研究工作。但对WC-Co涂层断裂韧性、残余应力及疲劳性能的研究还很少。因此，有必要对此进行系统、深入的研究，为WC-Co涂层的工程应用提供强有力的技术支持。
　　 本论文针对水轮机过流件和关键零部件的力学性能问题，系统地研究了APS和HVOF两种喷涂方法制备的纳米WC-Co、普通WC-Co、WC-12Co以及WC-17Co等涂层力学性能。采用压痕法测量了涂层弹性模量和断裂韧性，利用SEM/BSE等技术分析了压痕致裂纹扩展机理；利用四点弯曲法测量了涂层界面应变能释放率；同时采用X射线衍射法测量了涂层残余应力；采用高频疲劳试验机测量了涂层轴向疲劳，主要得出以下结论：
　　 (1)APS喷涂纳米WC-Co涂层硬度比HVOF喷涂纳米WC-Co涂层低402.40HV，约50.39％；纳米WC-Co涂层硬度高于普通WC-Co涂层50.10HV，约4.36％；WC-12Co涂层硬度高于WC-17Co涂层62.40HV，约5.20％；WC-Co涂层硬度沿深度方向呈梯度分布；APS喷涂WC-Co涂层弹性模量比HVOF喷涂WC-Co涂层低125.24，98.42％；纳米WC-Co涂层弹性模量比普通涂层高13.00GPa，约5.43％；WC-12Co涂层弹性模量比WC-17Co涂层高40.90GPa，约16.20％；
　　 (2)APS喷涂WC-Co涂层断裂韧性比HVOF喷涂WC-Co涂层低1.97MPa.m1/2，约50.00％；纳米WC-Co涂层断裂韧性比普通涂层高0.61 MPa.m1/2，约11.41％；WC-12Co涂层断裂韧性比WC-17Co涂层低0.38 MPa.m1/2，约7.16％；
　　 (3)APS和HVOF喷涂WC-Co涂层表面应力都表现为压应力，且HVOF喷涂层残余压应力水平比APS喷涂层高85.50MPa，约61.60％；纳米WC-Co涂层残余压应力水平比普通WC-Co涂层高20.89MPa，约10.27％；WC-12Co涂层残余应力水平低WC-17Co涂层18.67MPa，约9.08％；HVOF喷涂WC-Co涂层残余应力均表现为压应力，表面残余应力值比较集中，残余应力沿表面分布较为平缓，沿着深度方向应力值浮动较大，呈梯度分布。HVOF喷涂WC-Co涂层中各相残余应力大小及状态均不同，WC和W2C相为压应力，而Co6W6C相则为拉应力；
　　 (4)随着疲劳载荷的增加，纳米WC-12Co涂层疲劳寿命减少；循环载荷作用下，涂层与基体轴向变形不协调，在涂层-基体界面产生较大剪应力，致使45＃钢基体纳米WC-12Co涂层失效；载荷作用下，疲劳试样上受较大弯矩，致使试样表面涂层失效，应力陡然增大致使试样断裂。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪 论

1.1工程背景

1.2热喷涂金属陶瓷涂层技术的发展及应用

1.2.1热喷涂金属陶瓷涂层技术的发展

1.2.2热喷涂金属陶瓷涂层技术的应用

1.3国内外热喷涂涂层力学性能研究现状

1.3.1国内外热喷涂涂层常规力学性能研究现状

1.3.2国内外热喷涂涂层断裂韧性的研究现状

1.3.3国内外热喷涂涂层疲劳性研究现状

1.3.4国内外热喷涂涂层残余应力研究现状

1.4本论文研究的意义与内容

1.4.1论文研究的意义

1.4.2论文的研究内容

第2章试验材料及试验方法

2.1试验材料

2.2热喷涂设备及工艺参数

2.2.1超音速火焰喷涂设备及工艺参数

2.2.2 APS喷涂设备及工艺参数

2.2.3 WC-Co涂层的制备

2.3 WC-Co涂层的力学性能试验

2.3.1 WC-Co涂层硬度和弹性模量

2.3.2 WC-Co涂层断裂韧性

2.3.3 WC-Co涂层残余应力分析

2.3.4 WC-Co涂层疲劳分析

第3章WC-Co涂层力学性能研究

3.1 WC-Co涂层硬度

3.1.1喷涂方法对WC-Co涂层硬度影响

3.1.2 WC颗粒度对WC-Co涂层硬度影响

3.1.3 Co含量对WC-Co涂层硬度影响

3.1.4 WC-Co涂层硬度值沿厚度方向分布

3.2 WC-Co涂层弹性模量

3.2.1喷涂方法对WC-Co涂层的弹性模量影响

3.2.2 WC颗粒度对WC-Co涂层弹性模量影响

3.2.3 Co含量对WC-Co涂层弹性模量影响

3.3 WC-Co涂层断裂韧性

3.3.1喷涂方法对WC-Co涂层断裂韧性影响

3.3.2 WC颗粒度对WC-Co涂层断裂韧性影响

3.3.3 Co含量对WC-Co涂层断裂韧性影响

3.4 WC-Co涂层断裂机理分析

3.5 WC-Co涂层界面断裂韧性

3.5.1 WC颗粒度对WC-Co涂层界面断裂韧性影响

3.5.2 Co含量对纳米WC-Co涂层界面断裂韧性影响

3.5.3 WC-Co涂层界面断裂分析

3.6本章小结

第4章WC-Co涂层残余应力研究

4.1 WC-Co涂层残余余力形成机理

4.2残余应力导致的涂层典型失效形式

4.3 WC-Co涂层表面残余应力

4.3.1喷涂方法对WC-Co涂层表面残余应力影响

4.3.2 WC颗粒度对WC-Co涂层残余应力影响

4.3.3 Co含量对WC-Co涂层表面残余应力影响

4.4 WC-Co涂层残余应力分布

4.4.1 WC-Co涂层残余应力表面分布

4.4.2 WC-Co涂层应力沿深度方向分布

4.5 WC-Co涂层中各相残余应力分析

4.6本章小结

第5章WC-Co涂层疲劳试验初探

5.1载荷对纳米WC-12Co涂层疲劳性能影响

5.2疲劳试样断口形貌分析

5.3本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文