Ti-6Al-4V基体与碳化钨涂层结合性能的分析与优化

摘要

采用超音速火焰喷涂技术(HVOF)分别在Ti-6Al-4V合金和45钢表面制备WC-17Co涂层，从显微形貌、氧化行为、裂纹扩展形式以及力学性能等方面系统研究了WC-17Co涂层与基体界面失效的原因。利用SEM分析了涂层和基体的显微形貌；利用XRD和XPS技术对基体表面的氧化行为进行了对比分析；利用三点弯曲法测试了涂层弹性模量、四点弯曲法测试了界面断裂能量释放率，采用硬度计测试了基体的表面洛氏硬度和显微硬度，同时采用剥离法对涂层残余应力进行了测试。结果表明，在相同的喷涂工艺下，WC-17Co/Ti-6Al-4V平均断裂能量释放率为234.43J.m-2，WC-17Co/45钢平均断裂能量释放率为463.18J.m-2。因此，WC-17Co/Ti-6Al-4V界面结合强度较低，经研究主要受以下几方面原因综合影响：1）Ti-6Al-4V具有较高的表面屈服强度，高速喷涂粒子很难对其表面产生塑性变形，不能与基体形成有效咬合；2）喷涂过程中的热量对Ti-6Al-4V表面氧化严重，氧化后的脆硬相降低了涂层与基体间的结合强度；3）WC-17Co/Ti-6Al-4V具有更高的残余应力，且最大值位于界面附近。当界面受力时，残余应力容易形成剪应力，加剧裂纹沿界面方向的扩展。
　　为了最大化提高WC-17Co/Ti-6Al-4V界面结合强度，本文在不改变喷涂工艺的情况下，从表面粗化处理和涂层厚度两方面探究了表面粗糙度与残余应力对WC-17Co/Ti-6Al-4V界面结合性能的影响。结果表明：1）大的表面粗糙度会提高界面结合性能，但达到一定值后界面结合强度反而降低，在喷砂工艺为60目/40Psi时，粗糙度为20.845μm，此时WC-17Co/Ti-6Al-4V的界面断裂能量释放率值最大，为259.0 J.m-2；2）涂层厚度越大，界面处残余应力值越高，越容易引起裂纹沿界面的方向扩展，WC-17Co/Ti-6Al-4V的界面断裂能量释放率值越低。经研究，最佳喷涂厚度为0.21mm～0.3mm。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2热喷涂技术

1.3 热喷涂涂层/基体界面结合性能研究现状

1.4本论文的研究意义及内容

第二章 试验材料、设备及方法

2.1 试验材料

2.2 试验设备

2.3 涂层及基体本征性能表征方法及实验方案

2.4 实验方案

第三章WC-17Co/Ti-6Al-4V和WC-17Co/45钢界面结合强度研究

3.1泊松比

3.2 弹性模量测试

3.3WC-17Co/Ti-6Al-4V和WC-17Co/45钢断裂能量释放率研究

3.4 小结

第四章 WC-17Co/Ti-6Al-4V和WC-17Co/45钢界面失效机理分析

4.1 粒子冲击基体表面微观形貌分析

4.2 氧化前后Ti-6Al-4V和45钢表面硬度对比分析

4.3 基体表面物相及化学成分分析

4.4 WC-17Co/Ti-6Al-4V和WC-17Co/45钢界面残余应力分析

4.5 小结

第五章 基体表面粗化对WC-17Co/Ti-6Al-4V界面结合性能的影响

5.1 表面粗糙度的表征

5.2 表面粗化试验设计

5.3 三点弯曲载荷下涂层的断裂行为

5.4 基体不同粗糙度下的断裂能量释放率对比分析

5.5 小结

第六章 不同涂层厚度下残余应力对WC-17Co/Ti-6Al-4V界面结合性能的影响

6.1 断裂能量释放率测试

6.2 涂层残余应力分析

6.3 小结

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

致谢

参考文献