电热爆炸喷涂法制备亚微米晶涂层的研究

【摘要】：电热爆炸定向喷涂法是一种新的制备亚微米晶、纳米晶涂层新技术。本文较为系统地研究了该技术制备的亚微米晶涂层的性能以及喷涂过程的电学特性,并对涂层的温度场进行了数值计算。 对Mo、WC-Co、Stellite等单一材料涂层以及NiCr/WC-Co、Stellite/WC-Co、Mo/WC-Co等复合涂层的研究表明:涂层无传统的层状结构。涂层晶粒明显细化,晶粒尺寸在数十nm-500nm范围。涂层致密、孔隙率低,在0.55%-2%之间。涂层/基体界面结合良好,存在明显的元素扩散现象。涂层硬度大幅度提高,为原始喷涂材料1.3-4倍左右。涂层硬度、弹性模量以及弹性回复系数沿涂层横截面方向均呈梯度递减变化。XRD分析表明:Mo涂层在喷涂过程中没有形成新的相,而WC则有失碳和烧损现象发生。除NiCr/WC-Co复合涂层有裂纹外,其他两种复合涂层均没有裂纹。 对涂层断裂韧性的测量表明:涂层的断裂韧性呈各向异性的特性,垂直于基体/涂层界面的断裂韧性低于平行于界面方向的断裂韧性。几种涂层断裂韧性的大小顺序为: Mo/WC-CoWC-CoMoStellite/WC-CoNiCr/WC-Co 采用改进的粘接拉伸法对涂层/基体的结合强度进行了测量。结果表明:电热爆炸喷涂制备的涂层与基体的结合强度大于153.8MPa(胶层剥落,涂层未断裂)。 采用干砂型磨粒磨损试验机对Mo涂层、WC-Co涂层以及Mo/WC-Co涂层的磨粒磨损性能进行了测试。实验范围内,Mo/WC-Co复合涂层失重最多,WC-Co涂层次之,Mo涂层失重最少。和硬度相比,涂层的断裂韧性对涂层的耐磨性更具影响。 电学特性分析表明:喷涂材料阻抗随时间的变化表现为缓慢增加—快速增加—缓慢下降—迅速下降等过程。 分析了电热爆炸喷涂层的温度场特点,建立了一维非线性瞬态温度场的有限元数值模拟模型。并对不同界面状况下的涂层温度场进行了数值模拟。计算表明:涂层的凝固过程为快速凝固过程。基体表面发生了完全或部分熔化现象。后续喷涂对前一次喷涂形成的涂层有一定的影响。根据结合强度测量结果以及能谱分析可知,涂层与基体以冶金结合机制为主。