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等离子喷涂纳米结构Al_2O_3-13wt.%TiO_2涂层组织及性能研究

张建新  
【摘要】: 本文以纳米Al_2O_3和TiO_2粉末为起始材料,通过喷雾造粒及烧结方法制备出适宜热喷涂的喂料,采用等离子喷涂技术制备了具有纳米结构的Al_2O_3-13wt.%TiO_2涂层,研究了喷雾造粒及烧结工艺对粉末形貌及特性的影响,采用XRD、SEM、TEM表征了纳米结构Al_2O_3-13wt.%TiO_2涂层的组织结构,研究了涂层的力学性能和摩擦磨损特性,探讨了涂层组织形成、涂层韧化和磨损的机制。 实验结果表明,当粘结剂含量为2.5wt.%、料浆固含量为30wt.%、造粒温度为300~350℃时,喷雾造粒获得具有较高松装密度的球形粉末。经1100℃烧结后,粉末中的纳米颗粒并没有明显长大,粉末的实际送粉率较常规粉末高出近一倍。 SEM观察表明,纳米结构涂层的组织由液相结晶的完全熔化区和纳米颗粒为主的部分熔化区构成。部分熔化区具有球状、条状和颗粒弥散分布型组织的形貌。当喷涂参数CPSP较低时,部分熔化区大多为球状;随着CPSP增大,部分熔化区逐渐变为连续或断续条状。TEM观察表明,完全熔化区含有不规则状或近等轴状晶粒,晶粒尺寸从几十纳米到几百纳米;部分熔化区中α-Al_2O_3颗粒尺寸从十几到几十纳米,较弥散地分布在富TiO_2的基体上。纳米结构涂层的物相组成为α-Al_2O_3、γ- Al_2O_3和金红石TiO_2,而常规涂层中主要相为γ- Al_2O_3、金红石TiO_2和Al2TiO5。 纳米结构Al_2O_3-13wt%TiO_2涂层的硬度和韧性最高分别是常规涂层的约1.4倍和二倍左右,这主要是由纳米结构涂层的特殊组织特征决定的。在500、700、900和1000℃的循环热震条件下,纳米结构涂层的抗热震性能均高于常规涂层。纳米结构涂层的热震失效形式为表面裂纹的形成、扩展,导致涂层局部脱落;常规涂层则为层间裂纹的形成和沿层间界面扩展,最终使涂层从中间或根部整体脱落。 纳米结构涂层的摩擦系数低于常规涂层,且随载荷增大两者差距增加。在20-100 N载荷干摩擦条件下,纳米结构涂层的耐磨性比常规涂层高一倍以上。摩擦载荷越大,时间越长,纳米结构涂层的耐磨性能相对于常规涂层越好。在磨损过程中,常规涂层和纳米结构涂层均为剥落磨损为主、含有磨粒磨损的磨损机制。常规涂层的剥落为层片局部相继断裂及脱落,是由层间裂纹和表面裂纹沿晶穿越整个层片厚度造成的;而纳米结构涂层的剥落是在复合组织的层片内逐步逐层进行的过程。常规涂层的剥落坑较深,且剥落面大多为光滑小平面,而纳米结构涂层的剥落坑较浅,剥落面较为粗糙和曲折。纳米结构的部分熔化区、近等轴晶区、颗粒弥散分布型组织对裂纹的形成与扩展有强烈抑制作用,是涂层韧性和耐磨性提高的主要原因。


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