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《南京航空航天大学》 2018年
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超音速火焰喷涂微纳米陶瓷涂层组织性能分析及激光重熔

郭华锋  
【摘要】:Ti6Al4V钛合金具有低密度、高比强度和良好的耐腐蚀性等优点,在航空航天、石油化工及民用领域应用非常广泛。其耐磨性差已成为国内外学者研究的热点,表面涂层技术是提升钛合金表面耐磨性的有效途径。常规涂层依然存在高孔隙、多裂纹等问题,如何制备高质量耐磨涂层并实现质量可控仍需进一步深入研究。以钛合金基体为研究对象,遵循粒子加速-飞行-加热-撞击-扁平化-冷却凝固-形成涂层的规律,采用理论分析、数值模拟和试验相结合的研究思路,基于超音速火焰喷涂技术成功制备微米和微纳米结构WC-12Co涂层,分析两种涂层的微观组织和性能。建立工艺参数和涂层质量间的多元回归数学模型,优化涂层质量。采用激光重熔技术实现涂层基体间界面行为的转变。主要工作和成果如下:(1)在分析粒子动量传输特征的基础上,建立飞行粒子加热熔化有限元模型。定量研究并揭示粉末粒径、飞行速度和喷涂距离等对熔化模式演变的影响规律,从而建立WC-12Co粉末的颗粒熔化机制理论模型。(2)计算WC-12Co颗粒的时空独立性,掌握撞击及扁平化行为,研究WC颗粒的反弹机理。建立涂层残余应力计算模型,为揭示材料和工艺因素对其贡献大小提供理论依据。明确涂层以机械结合为主的界面状态。表征涂层原生性微观缺陷的不均性,定量研究孔隙的尺寸类型和分布。(3)研究两种涂层的微观形貌及摩擦学特性等。讨论材料特性和工艺参数对微观组织及性能的影响,分析涂层及基体的磨损机理。微纳米涂层以亚微米、纳米尺度WC颗粒为主,微米涂层以微米、亚微米尺寸为主。微纳米涂层的孔隙率和摩擦因数相对较小,硬度和抗变形能力优于微米涂层。基体以磨粒磨损,黏着磨损和少量氧化磨损为主要磨损机制。微米涂层以微切削和剥层为主,而微纳米涂层主要以微切削为主。两种涂层都表现出优异的耐磨性,其中微纳米涂层更优。(4)揭示残余应力对粉末特性和动量传输特征的依赖性。明确涂层中残余压应力的产生主要由未熔化的WC颗粒的喷丸效应引起,与喷涂工艺无关。(5)建立喷涂工艺参数与涂层质量间的多元回归数学模型,验证模型的可靠性和精度,预测和优化了涂层质量。制备了高质量WC-12Co涂层,提升了涂层质量的可控性。(6)建立Marangoni效应多物理耦合场模型,揭示激光熔池的对流传热本质和涂层成分均匀化的驱动力来源。建立激光重熔热喷涂涂层的三维温度场有限元模型,分析工艺参数对熔池温度场演变的影响规律。选择优化工艺参数成功制备无孔隙和冶金结合的激光重熔涂层。探索出获得高质量激光重熔WC-12Co涂层的技术路线。
【学位授予单位】:南京航空航天大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TG174.4;TG665

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【参考文献】
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