SHS等离子喷涂制备FeAl_2O_4-Al_2O_3-Fe纳米复合涂层的研究

【摘要】：本文采用机械团聚法将微米级原始粉体(Fe_2O_3和Al)制成用于等离子喷涂的复合粉体。根据自蔓延高温合成(SHS)反应,将复合粉体送入等离子焰流发生自反应,沉积形成厚度为500μm左右的复合涂层。对涂层的显微组织、显微硬度、断裂韧性、耐磨性进行检测与分析,同时对反应机理进行了研究。 通过研究分散剂、粘结剂、烘干温度对复合粉体物理性能的影响得出:分散剂选择无水乙醇,粘结剂选择水溶性的聚乙烯醇,分散剂和粘结剂的烘干温度分别选择100℃和50℃,粘结剂含量为3wt%的工艺所制得的复合粉体流动性好,尺寸分布范围小,形状规则性高。 SEM和XRD检测结果表明:涂层呈现以层状FeAl_2O_4尖晶石和Al_2O_3陶瓷为骨架,球形金属Fe(部分FeAl)为弥散相的复合组织;TEM检测结果表明:涂层为纳米复合涂层,FeAl_2O_4为等轴纳米晶,Al_2O_3和金属相均为球形纳米晶。 通过计算裂纹临界扩展能量G_C定性地测得涂层的断裂韧性,结果表明,复合涂层的断裂韧性比普通Al_2O_3涂层的断裂韧性提高了近150%。 在干摩擦磨损条件下,尤其在高载荷作用下,复合涂层的耐磨性明显高于普通Al_2O_3涂层。磨损过程中,低载荷作用下涂层主要发生应力疲劳引起的层状剥落以及部分的粘着磨损;高载荷的作用下主要发生磨粒磨损,涂层表面几乎全部被粘着物所覆盖,表面铁的氧化物能起到自润滑作用,降低了涂层的摩擦系数,提高了涂层的耐磨性。 分析了反应机理并建立了反应模型,复合粉体间铝热还原反应是分步进行的,部分反应发生在基体上;等离子焰流的雾化作用以及较大的冷却速度,为纳米复合涂层的形成提供了有利的因素。