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《华南理工大学》 2011年
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超音速火焰喷涂纳米Ni60-TiB_2复合涂层及其耐磨耐蚀性能研究

吴姚莎  
【摘要】:作为Cr3C2和WC的一种潜在替代者,TiB_2陶瓷不仅具有优异的力学性能,同时还具有良好抗高温氧化和耐腐蚀性能,使其成为制备金属基陶瓷复合涂层中的最佳增强候选材料。现有的研究结果表明,M-TiBB_2涂层如Fe(Cr)-TiB_2涂层等具有比常规粗晶Cr3C2-NiCr和TiC-NiCr涂层更优的耐磨粒磨损性能,但TiB_2的本征缺陷如高脆性、低疲劳极限和难烧结等限制了该类涂层性能的进一步提高。纳米化技术尤其是涂层纳米化可望很好地解决这一问题,它能够在很大程度上提高涂层的断裂韧性、疲劳抗性、强度和膜基结合力等,进而提高涂层的耐磨耐蚀及其它性能,成为热喷涂领域的重要发展前沿和研究热点。本课题以高能球磨法制备的纳米Ni60-TiB_2B复合粉作为热喷涂用结构喂料,利用超音速火焰(HVOF)喷涂技术在中碳钢上制备出了高质量的纳米复合涂层,并较系统地研究了其微观组织及其相关性能。与相同成分的常规微米复合涂层相比,纳米复合涂层的力学性能和耐磨耐蚀性能都得到了较大幅度的提高,具有很好的综合性能和使用价值,为高性能纳米涂层的制备和应用提供了新的途径和科学依据。 研究结果表明,高能球磨技术可成功制备出适宜直接用于热喷涂的纳米Ni60-TiBB_2结构喂料。高能球磨20 h后,纳米TiB_2增强相粒子均匀弥散地分布于Ni60粉内,其平均晶粒尺寸减少至38 nm并达到平衡状态。该球磨粉体的团聚颗粒外形呈近球状,大部分颗粒粒径在5μm以上,具有良好的流动性,稍加过筛后可直接用于HVOF喷涂。以高能球磨的纳米级粉体为原料,采用超音速火焰喷涂技术在中碳钢基体上成功制备出了高性能的纳米Ni60-TiBB_2复合涂层。该纳米复合涂层的显微组织均匀致密,平均晶粒尺寸约为45.7 nm。与同成分的常规微米复合涂层相比,纳米复合涂层具有更高的硬度和断裂韧性,其平均显微硬度和断裂韧性分别达到1102 kgf. mm和-2 3.5 MPa.m1/2左右。Ni60-TiBB_2复合涂层在600和800近似遵循抛物线规律,表明其循化氧化过程主要由扩散机制控制。但在相同的循环氧化条件下纳米 涂层具有更优的抗循环氧化性能,这主要是由于涂层中晶粒纳米化能够增加扩散通道而提高原子扩散速度,有利于更快地形成完整致密的保护性SiO℃℃高温下都具有较好的抗循环氧化性能。与同成分微米复合涂层的氧化增重曲线相似,纳米复合涂层的氧化增重曲线也,复合2-Cr2O3膜;同时晶粒纳米化在一定程度上降低了涂层与氧化膜之间的内应力,高了涂层与氧化膜间的结合力。 在室温和20~60 N载荷的无润滑干滑动磨损条件下,纳米Ni60-TiBB_2复合涂层具有比同成分常规微米Ni60-TiB_2B复合涂层更低的滑动摩擦系数和磨损体积损失,表明纳米复合涂层的抗滑动磨损性能更优异,这主要归因于纳米复合涂层中TiB_2增强相均匀弥散分布以及喷涂喂料中纳米特征的良好继承。纳米复合涂层在磨损过程中都呈现出粘结磨损和磨粒磨损的特征。 纳米和常规微米复合涂层的热腐蚀行为表明,复合涂层在Na2SO4-60%V2O5(摩尔比,下同)混合盐中的抗热腐蚀性能明显优于其在Na2SO4-30%K2SO4混合盐的抗热腐蚀性能。这主要是由于Ni60-TiBB_2复合涂层在热腐蚀过程中形成的SiO2膜溶于碱性环境,而在酸性条件下则基本不溶。在Ni60-TiB_2B复合涂层的热腐蚀实验中,Na2SO4-60%V2O5混合盐为酸性盐膜,腐蚀过程中能形成完整致密的保护性Si- Cr-O膜,而Na2SO4-60% K2SO4混合盐则为碱性盐膜,初期形成的SiO2发生碱性溶解,最终表层形成一层疏松多孔的非保护性Ni-Ti-Cr-Si氧化膜。
【学位授予单位】:华南理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TG174.442

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