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《大连理工大学》 2017年
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超音速火焰喷涂WC-10Ni硬质合金涂层及其水润滑磨损性能研究

杜鹏程  
【摘要】:以Ni代Co粘结相的耐磨WC-Ni硬质合金涂层具有更优异的耐高温、抗腐蚀、防辐射等性能,有望在高温高压、高湿、腐蚀介质、放射环境工况下服役应用。但是,WC-Ni系硬质合金涂层作为近年来新发展起来的涂层体系,远没有WC-Co体系研究成熟,不仅喷涂工艺的研发不够深入,而且缺乏在介质环境下的摩擦磨损性能的系统研究。超音速火焰喷涂(High Velocity Oxy-Fuel,HVOF)技术是制备WC基硬质合金涂层的一种主要技术手段,本文采用HVOF技术在17-4PH马氏体沉淀硬化不锈钢表面喷涂制备Ni结WC硬质合金涂层,面向涂层在水介质环境下应用的水润滑磨损性能,开展耐磨WC-10Ni涂层制备工艺研究,探索调节氧气与燃料配比O/F值、喷涂角度及气氛保护等喷涂工艺参数对涂层孔隙率、组织结构、相组成的影响规律,分析涂层显微硬度、弹性模量、断裂韧性、界面断裂韧性等力学性能,探讨HVOF喷涂WC-10Ni涂层水润滑摩擦磨损行为及其机理,建立从涂层喷涂工艺到涂层性能的内在关联,提供以提升涂层水润滑摩擦磨损性能为目标的工艺设计与优化方法,为水润滑耐磨抗蚀硬质合金喷涂涂层制造提供理论和技术支撑。主要研究工作包括以下四个部分:(1)研究了喷涂氧气/燃料(O/F)比值的影响作用。O/F值是HVOF核心工艺参数,通过不同氧气和煤油流量配比的O/F值可调控喷涂粒子温度和速度。保持煤油流量为22.7 L/h不变,氧气流量从811 L/min增大至946 L/min使O/F值由1.1增至1.3,喷涂粒子速度增大、温度略有降低,WC-10Ni涂层孔隙率由0.86%降至0.78%。维持氧气流量为811 L/min而降低煤油流量,同样可使O/F值由1.1增至1.3,喷涂粒子速度和温度均明显减小,涂层孔隙率由0.86%增大至4.5%。随着O/F值的增大,喷涂粒子温度均有所降低,减轻了 WC相的氧化而使涂层中WC相保留率提高,若喷涂粒子速度提高,则有利于进一步提高WC相保留率。涂层孔隙率和相结构共同影响了涂层硬度,孔隙率显著影响较大载荷测试的显微硬度值,WC相保留率明显影响小载荷显微硬度值。涂层硬度、弹性模量和涂层微观组织结构决定了其断裂韧性的大小,涂层弹性模量与硬度的比值(E/H)的提高和涂层微观组织致密度的增大,均提高了涂层的断裂韧性。(2)研究了喷涂角度的影响作用。对于复杂形状零件的表面涂层的制备,喷涂角度是重要的喷涂参数。降低喷涂角度时,喷涂粒子撞击基体的法向动能减小,WC-10Ni涂层孔隙率由喷涂角度为90°时的0.86%增大至喷涂角度为30°时的1.68%。降低喷涂角度导致喷涂焰流与零件基体作用面积增大,对沉积粒子形成了过度加热,而且斜入射喷涂粒子更易铺展也增大了其与氧气的接触面积,因此,随着喷涂角度的降低,WC相分解量增大。涂层中WC相的保留率由喷涂角度为90°时的82%降低至喷涂角度为30°时的69%。由于涂层孔隙率增大和WC相保留率降低,涂层硬度由90°时的10.8 GPa降低至30°时的9.9GPa,涂层弹性模量与硬度比值E/H也降低。小角度喷涂涂层中扁平化沉积粒子之间结合力降低,促进了裂纹扩展,导致了涂层断裂韧性的降低。与涂层断裂韧性相比,涂层的界面断裂韧性变化趋势不完全相同,受到涂层残余拉应力和硬度的影响更大。(3)研究了 N2气氛保护喷涂的影响作用。N2气氛保护喷涂抑制WC-10Ni涂层中WC相的氧化分解,同时也影响了涂层微观组织形貌。采用直接在基体表面通N2保护进行喷涂,WC相的保留率提高了约5%,但N2对喷涂粒子的冷却作用导致了涂层中沉积粒子之间界面孔隙增多,涂层的孔隙率约为在空气中喷涂涂层的两倍,WC相保留率的提高抵消了孔隙率增大对涂层硬度的降低作用,获得了与空气中喷涂涂层相近的显微硬度。然而,在涂层断裂韧性的压入测试中,N2保护喷涂涂层出现沿着沉积粒子之间孔隙扩展的裂纹,导致了比空气中喷涂涂层更低的断裂韧性。为了控制N2的冷却作用和增强N2的保护作用,采用在保护罩内通N2的改进气氛保护方式,N2在保护罩内阻滞流动不仅减弱了 N2对喷涂粒子的冷却作用,而且阻隔了氧气的混入,进一步提高了 WC相的保留率,涂层孔隙率明显降低,达到了与在空气中喷涂涂层相近的水平。(4)对不同工艺涂参数喷涂的WC-l0Ni涂层进行了水润滑摩擦磨损性能评价,分析了涂层组织结构和力学性能对其摩擦磨损行为的影响机制。较低孔隙率的涂层磨损机制以粘着磨损为主,伴随着因少量WC颗粒脱落和破碎造成的轻微磨粒磨损。当涂层孔隙率增大时,孔隙周围基体对WC颗粒的支撑弱化,易造成WC颗粒的脱落及挤压破碎,磨粒磨损程度有所加重,同时,孔隙率的增加降低了摩擦系数,对涂层水润滑减摩有促进作用。涂层硬度和涂层微观结构对摩擦磨损性能均有较大影响。采用保护罩的改进的气氛保护喷涂,获得的涂层孔隙率为0.9-1.9%,接近空气中喷涂涂层的0.86-1.68%,由于前者的WC相保留率提高,其显微硬度相应提高,涂层比磨损率降低了约10%。在硬度相近的涂层中,硬质相与粘结相结合强度更高的涂层磨损过程中硬质相更不易脱落,涂层磨损机制以粘着磨损和轻微磨粒磨损为主。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TG174.4

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