發(fā)布時(shí)間：2020-10-15 21:57

　　 船舶飛行甲板是飛機(jī)停放以及船舶工作人員作業(yè)的主要場(chǎng)地,在高濕度的海洋環(huán)境以及飛機(jī)數(shù)萬(wàn)次的起降沖擊下,甲板涂層極易發(fā)生老化、腐蝕與磨損。傳統(tǒng)的有機(jī)涂層具有耐蝕性好、韌性高等優(yōu)點(diǎn),但其耐磨性、耐高溫性、耐紫外線能力差,與基體結(jié)合強(qiáng)度低,限制了有機(jī)涂層在甲板上的應(yīng)用。金屬基陶瓷涂層與甲板鋼有著優(yōu)異的結(jié)合強(qiáng)度與耐磨性能,但是其耐蝕性差。鐵基非晶合金涂層具備有機(jī)涂層與金屬基涂層兩者的優(yōu)點(diǎn),是未來(lái)船舶飛行甲板涂層重要的研究方向。本課題通過(guò)超音速電弧噴涂技術(shù)制備鐵基非晶合金涂層,研究了合金體系中Cr、Ni、B、Si及其含量對(duì)鐵基非晶合金涂層非晶含量的影響,表征了涂層的微觀結(jié)構(gòu)與綜合服役性能,分析了非晶/納米晶對(duì)甲板涂層綜合服役性能的影響,并通過(guò)自行設(shè)計(jì)的飛行甲板模擬實(shí)驗(yàn)裝置,對(duì)涂層綜合性能進(jìn)行評(píng)估。以Inoue經(jīng)驗(yàn)原則為依據(jù),設(shè)計(jì)了Fe-Cr-Ni-Mo-B-Si的非晶合金體系,通過(guò)XRD、SEM等檢測(cè)方法對(duì)鐵基非晶合金涂層物相組成及微觀形貌進(jìn)行表征,通過(guò)對(duì)涂層力學(xué)性能、耐蝕性的測(cè)試,發(fā)現(xiàn)鐵基非晶合金涂層非晶含量、物相組成與Ni、Cr、B、Si及其含量密切相關(guān),在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)可得到非晶含量從22.4%到46.3%的鐵基非晶合金涂層。非晶含量越高,涂層孔隙率越小,顯微硬度越高,與鋼鐵基體結(jié)合力越強(qiáng),耐蝕性越好。涂層中Cr、Ni含量對(duì)涂層結(jié)構(gòu)與性能有關(guān)鍵影響。Cr與Ni具有較大的原子半徑,添加至體系中,造成合金體系組元數(shù)增加、體系原子之間混合焓增大,使整個(gè)體系熔點(diǎn)降低,涂層非晶形成能力提高。當(dāng)非晶含量最高為46.3%時(shí),涂層顯微硬度最高為960Hv、結(jié)合力最高為44.1MPa,涂層孔隙率最小為2.2%,同時(shí)表現(xiàn)出好的耐蝕性。體系中Ni的過(guò)度增加破壞了Fe-Si固溶體形成,使Fe的非晶形成能力降低,同時(shí)與Si結(jié)合生成Ni_2SiO_4納米尺寸硬質(zhì)相,對(duì)晶界移動(dòng)起抑制作用,使涂層晶粒細(xì)化均勻。經(jīng)正交試驗(yàn)分析,Cr含量19%、Ni含量6%時(shí),涂層有最高的非晶含量,同時(shí)涂層在硬度、結(jié)合力、孔隙率與耐蝕性等方面性能最佳。B、Si等非金屬元素添加至體系中,通過(guò)與Fe結(jié)合使體系熔點(diǎn)降低,增大非晶形成能力,使涂層綜合性能提高。同時(shí)體系中B含量對(duì)涂層耐磨性有規(guī)律性影響,當(dāng)B含量超過(guò)8%,B與Fe、Mo等形成的Mo_2FeB_4硬質(zhì)相含量增加,在磨損過(guò)程中容易從涂層基體上脫落形成磨粒磨損,造成鐵基非晶合金涂層耐磨性降低。經(jīng)正交試驗(yàn)分析,當(dāng)合金體系為Fe_(45)Cr_(19)Ni_6Mo_(10)B_8Si_(12)時(shí),涂層非晶形成能力強(qiáng),表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能、耐蝕性以及綜合服役性能,滿足現(xiàn)階段甲板防滑涂層的服役要求。參考美軍標(biāo),模擬飛機(jī)降落時(shí)輪胎與涂層表面的摩擦情況,及工作環(huán)境中甲板上的攔阻索對(duì)涂層的磨損情況,自行設(shè)計(jì)了飛機(jī)輪胎、攔阻索摩擦磨損實(shí)驗(yàn)室測(cè)試裝置,研究了鐵基非晶合金涂層中非晶/納米晶含量對(duì)涂層防滑、耐磨性的影響。鐵基非晶合金涂層非晶含量適當(dāng)降低,涂層摩擦系數(shù)增大,防滑性提高,耐磨性增強(qiáng)。隨著體系中Cr、Ni、B、Si含量變化,體系合金熔點(diǎn)發(fā)生改變,當(dāng)體系熔點(diǎn)升高時(shí),涂層非晶形成能力降低,粒子熔融不完全導(dǎo)致涂層表面粗糙,摩擦系數(shù)增大,防滑性增強(qiáng),同時(shí),非晶形成能力降低導(dǎo)致涂層中彌散分布的納米晶硬質(zhì)相Ni_2SiO_4等含量增加,使涂層耐磨性得到提高。當(dāng)非晶含量46.3%時(shí),鐵基非晶合金涂層摩擦系數(shù)為1.0,涂層磨損量為123mg,涂層中非晶含量為22.4%時(shí),涂層摩擦系數(shù)高達(dá)1.32,同時(shí)磨損量為104mg,均符合MIL-PRF-24667標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)要求。
【學(xué)位單位】：山東建筑大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類(lèi)】：TG174.4;TG139.8;U668
【部分圖文】：

其他航空作業(yè)[1]。飛機(jī)甲板長(zhǎng)期暴露于浪花飛濺、干濕交替的惡劣海洋大氣環(huán)境中，同時(shí)受到飛機(jī)起落沖擊、溫差變化等影響，對(duì)甲板鋼產(chǎn)生不可忽視的腐蝕與磨損破壞作用造成甲板面不平甚至明顯凹坑，在服役安全方面對(duì)飛機(jī)產(chǎn)生重大隱患[2]。因此，為了提高甲板鋼服役壽命以及飛機(jī)和其他輔助設(shè)備的使用安全性，通常需要在甲板表面涂覆一層摩擦系數(shù)較大，保證飛機(jī)及重型設(shè)備在惡劣海況下不發(fā)生滑動(dòng)，對(duì)機(jī)輪磨損相對(duì)較小抗腐蝕、抗老化、有良好抗沖擊性能的防滑涂層。傳統(tǒng)飛行甲板的防滑涂層分為有機(jī)涂層與金屬基陶瓷復(fù)合涂層兩類(lèi)。有機(jī)環(huán)氧以及聚氨酯等雙組份涂料由于有優(yōu)異的附著力、強(qiáng)度、耐化學(xué)以及耐磨的性能，在甲板涂層等方面的應(yīng)用歷史悠久，美國(guó)開(kāi)發(fā)的 Alumoxanes 復(fù)合涂層具有優(yōu)異的耐磨性，可抵抗大型船舶拖纜和飛機(jī)尾鉤引起的涂層損壞[3-4]。然而，有機(jī)涂層具有較差的耐高溫性和抗紫外線性，在嚴(yán)苛的海洋環(huán)境以及長(zhǎng)時(shí)間的紫外線暴露狀態(tài)下，有機(jī)涂層容易發(fā)生褪色起皮以及脫落等現(xiàn)象（如圖 1.1 所示），使服役壽命嚴(yán)重縮短的同時(shí)，也使甲板涂層保養(yǎng)方面的開(kāi)支日益增加[5]。

山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文會(huì)減少涂層的使用壽命。因此，找到一種強(qiáng)度、硬度與耐候、耐蝕性并存的高耐久性防滑涂層已經(jīng)成為當(dāng)前該領(lǐng)域急需解決的重點(diǎn)難題與熱點(diǎn)問(wèn)題。非晶合金通過(guò)超快速冷卻凝固，在合金凝固過(guò)程中原子無(wú)有序排列和結(jié)晶，所得固體合金具有長(zhǎng)程無(wú)序結(jié)構(gòu)，如圖 1.2（b）所示，是一種在一定溫度范圍能夠保持穩(wěn)定狀態(tài)的新型亞穩(wěn)材料[8]。由于沒(méi)有晶界的存在，非晶合金表現(xiàn)出優(yōu)異的耐蝕性，并且有極高的強(qiáng)度與耐磨性。非晶合金具有優(yōu)異的物理、化學(xué)和機(jī)械性能，廣泛應(yīng)用于電子、計(jì)算機(jī)、通信等高科技領(lǐng)域。目前采用熱噴涂、激光熔覆等方法制備非晶合金涂層，已成為表面工程領(lǐng)域研究的重要內(nèi)容。

改變基體表面的形態(tài)、成分、結(jié)構(gòu)，使基體表面獲得所需噴涂與激光熔覆技術(shù)作為表面技術(shù)的重要分支，在工業(yè)生成為鐵基非晶合金涂層制備的主要手段。術(shù)制備鐵基非晶合金涂層Laser Cladding）技術(shù)[28]是一種通過(guò)將熔覆材料覆蓋在基底其與基底表面熔合而形成冶金結(jié)合涂層的技術(shù)。激光熔覆基體結(jié)合強(qiáng)度極高等特點(diǎn)，在精密儀器表面涂層制備領(lǐng)域制備鐵基非晶合金涂層的方面，國(guó)內(nèi)外也有眾多相關(guān)報(bào)道人在 304L 不銹鋼表面通過(guò)激光熔覆技術(shù)制得 Fe-Cr-Si-P 粒分散在無(wú)定型的非晶組織中（如圖 1.3 所示），并通過(guò)，得到熔池沿著深度方向的溫度梯度變化以及冷卻速度的構(gòu)特征與冷卻速度和形狀控制因子之間的關(guān)系模型。
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本文編號(hào)：2842305