热喷涂法制备金属陶瓷涂层的研究

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1、t海交通人学硕士学位论文摘要热喷涂法制备金属／陶瓷涂层的研究摘要目前，金属基陶瓷涂层已被成功地应用于航空航天、国防、冶金、机械、化工、电力电子工业及生物医学等领域，取得了显著效果。但一个具有共性的问题是金属基体与陶瓷涂层之间由于热物性不匹配因素而造成的应力集中使涂层早期失效。梯度功能涂层思想的提出和制备工艺上的实现是金属／陶瓷涂层发展的一个里程碑。热喷涂技术作为一种较好的金属材料表面防护和强化技术，以其独特的优势，在制备涂层的理论与实际应用方面都占有极其重要的地位。本文采用两种较为先进的喷涂方法一一爆炸喷涂(DS)和超音速火焰喷涂(HVOF)制备单层陶瓷涂层(

2、WC．Co)和金属／陶瓷梯度涂层(NiCrAl／wC．Co)，对比同种工艺下梯度涂层和单层涂层的性能差异，并比较了两种不同喷涂工艺对涂层性能的影响。结合数值计算研究涂层中的应力分布，初步探讨金属一陶瓷涂层形成和失效机理，研究金属表面梯度陶瓷涂层设计和制备的原理和方法，以提高涂层的性能和使用寿命。观察涂层微观组织结构及涂层与基体的界面，测定了涂层的孔隙率，两种喷涂方法制备的涂层都较为致密。梯度涂层内的不同组分的各子层之间并没有明显的界限。原始喷涂粉末与涂层的x射线成分分析表明，喷涂过程中均有P海交通大学碗}‘擘位论文摘要轻微脱碳现象。涂层显微硬度测量表明，DS单

3、层涂层平均硬度稍低于HVOF单层涂层平均硬度；梯度涂层显微硬度均随距表层距离的增大而减小。利用拉伸试验机测量了涂层的结合强度，HVOF涂层的结合强度较好；DS梯度涂层较高的孔隙率使结合强度下降。采用X射线衍射方法(固定1lr法)分析涂层的表面残余热应力。利用ANSYS等专业软件，在有边界条件约束的情况下，通过数值计算来预测并比较环境温度变化时涂层和基体内部的应力集中及其分布。结果表明梯度涂层相比单层涂层能更好地缓解涂层及基体内部的残余热应力分布，减小界面的应力集中。DS梯度涂层的实测残余应力比单层的减小一半左右，在HVOF涂层中并没有类似现象。应力状态与涂层结

4、构、喷涂工艺、预热温度、喷涂温度和熔化颗粒冷却凝固情况等有关。冷热循环实验对涂层抗热震性能检测结果表明，HVOF涂层的热震性能优于相同结构的DS涂层；在同种喷涂方法下梯度涂层热震性能优于单层涂层，DS喷涂表现较为明显，其梯度涂层的抗热震性能比单层涂层提高3倍以上。测定涂层抗室温摩擦磨损性能，测量摩擦系数、磨损率，并观察磨痕。喷涂涂层的耐磨性能明显优子基材；超音速火焰喷涂WC．Co单层涂层在四种试验条件下均具有良好的耐磨性能；由于具有更好的结合性能，梯度涂层在轻载下对磨损有改善作用，但重载下表现不明显。涂层中原有的孔隙和摩擦过程中产生的孔洞也在一定程度上减轻了磨

5、损。在磨损动态过程中，磨屑对涂层的磨损性能也有影响。本文作为上海市曙光计划研究课题，涂层的制备和性能检测均达到预定指标，给梯度涂层的应用增加了新的内容。随着研究和开发的深入，金属／陶瓷梯度涂层必将有更为广泛的应用。关键词金属／陶瓷涂层，爆炸喷涂，超音速火焰喷涂，WC．Co，残余应力，磨损性能flJ上海交通人学硕上学位论文ABSTRACTRESEARCHOFTHERMALSPRAYlNGMETAL／CERAMICCOATINGSABSTRACTNowadays，metal-basedceramiccoatingsaleusedsuccessfullyinmany

6、fields，suchasindustryofaerospace，nationaldefence，metallurgy,machine，chemicalengineering，electricalandelectronics，andbiomedicine，etc．ButonecommonproblemisthefailurecausedbystressconcentrationduetOmismatchofthermalandphysicalpropertiesbetweenmetalandceramic．Thecreationoftheconceptandr

7、ealizationofmanufactureoffunctionallygradientcoatingsisamilestoneinthedevelopmentofmetal／ceramiccoatings．Asanexcellenttechnologyofsurfaceprotectionandstrengtheningformetalmaterials，thermalsprayplaysanimpoaantroleintheoryofcoatingsmanufactureandapplication．Thepaperadoptedtwoadvanceds

8、praytechniques⋯一det