【摘要】：Ti6Al4V鈦合金具有低密度、高比強(qiáng)度和良好的耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn),在航空航天、石油化工及民用領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。其耐磨性差已成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn),表面涂層技術(shù)是提升鈦合金表面耐磨性的有效途徑。常規(guī)涂層依然存在高孔隙、多裂紋等問題,如何制備高質(zhì)量耐磨涂層并實(shí)現(xiàn)質(zhì)量可控仍需進(jìn)一步深入研究。以鈦合金基體為研究對象,遵循粒子加速-飛行-加熱-撞擊-扁平化-冷卻凝固-形成涂層的規(guī)律,采用理論分析、數(shù)值模擬和試驗(yàn)相結(jié)合的研究思路,基于超音速火焰噴涂技術(shù)成功制備微米和微納米結(jié)構(gòu)WC-12Co涂層,分析兩種涂層的微觀組織和性能。建立工藝參數(shù)和涂層質(zhì)量間的多元回歸數(shù)學(xué)模型,優(yōu)化涂層質(zhì)量。采用激光重熔技術(shù)實(shí)現(xiàn)涂層基體間界面行為的轉(zhuǎn)變。主要工作和成果如下:(1)在分析粒子動量傳輸特征的基礎(chǔ)上,建立飛行粒子加熱熔化有限元模型。定量研究并揭示粉末粒徑、飛行速度和噴涂距離等對熔化模式演變的影響規(guī)律,從而建立WC-12Co粉末的顆粒熔化機(jī)制理論模型。(2)計算WC-12Co顆粒的時空獨(dú)立性,掌握撞擊及扁平化行為,研究WC顆粒的反彈機(jī)理。建立涂層殘余應(yīng)力計算模型,為揭示材料和工藝因素對其貢獻(xiàn)大小提供理論依據(jù)。明確涂層以機(jī)械結(jié)合為主的界面狀態(tài)。表征涂層原生性微觀缺陷的不均性,定量研究孔隙的尺寸類型和分布。(3)研究兩種涂層的微觀形貌及摩擦學(xué)特性等。討論材料特性和工藝參數(shù)對微觀組織及性能的影響,分析涂層及基體的磨損機(jī)理。微納米涂層以亞微米、納米尺度WC顆粒為主,微米涂層以微米、亞微米尺寸為主。微納米涂層的孔隙率和摩擦因數(shù)相對較小,硬度和抗變形能力優(yōu)于微米涂層�；w以磨粒磨損,黏著磨損和少量氧化磨損為主要磨損機(jī)制。微米涂層以微切削和剝層為主,而微納米涂層主要以微切削為主。兩種涂層都表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性,其中微納米涂層更優(yōu)。(4)揭示殘余應(yīng)力對粉末特性和動量傳輸特征的依賴性。明確涂層中殘余壓應(yīng)力的產(chǎn)生主要由未熔化的WC顆粒的噴丸效應(yīng)引起,與噴涂工藝無關(guān)。(5)建立噴涂工藝參數(shù)與涂層質(zhì)量間的多元回歸數(shù)學(xué)模型,驗(yàn)證模型的可靠性和精度,預(yù)測和優(yōu)化了涂層質(zhì)量。制備了高質(zhì)量WC-12Co涂層,提升了涂層質(zhì)量的可控性。(6)建立Marangoni效應(yīng)多物理耦合場模型,揭示激光熔池的對流傳熱本質(zhì)和涂層成分均勻化的驅(qū)動力來源。建立激光重熔熱噴涂涂層的三維溫度場有限元模型,分析工藝參數(shù)對熔池溫度場演變的影響規(guī)律。選擇優(yōu)化工藝參數(shù)成功制備無孔隙和冶金結(jié)合的激光重熔涂層。探索出獲得高質(zhì)量激光重熔WC-12Co涂層的技術(shù)路線。
【圖文】：

第一章 緒論的應(yīng)用與摩擦磨損金的特點(diǎn)及應(yīng)用以鈦元素為基礎(chǔ)添加其它元素所形成的合金，作為一種新型結(jié)構(gòu)材料度小、比強(qiáng)度高、抗腐蝕性能好和良好的生物相容性[1-2]。在軍事工業(yè)了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益，已被世界多個軍事強(qiáng)國列為重點(diǎn)發(fā)展的結(jié)構(gòu)金屬材料[3]，各國對鈦合金的需求非常旺盛，我國以每年 20%中主要用于航空航天、艦船等領(lǐng)域，如機(jī)體、發(fā)動機(jī)和機(jī)載設(shè)備。 F-35 用鈦量已高達(dá) 27%，F(xiàn)-22 戰(zhàn)機(jī)用鈦量更是高達(dá) 41%。我國軍用已達(dá)到 25%[5]。民用航空領(lǐng)域的使用量也在不斷加大，如空客 A38音 777 占比 7%-8%。我國商用支線客機(jī) ARJ21 用量為 4.8%，商用，主要應(yīng)用部位如圖 1 所示。此外，鈦合金優(yōu)異的抗腐蝕性能使其，主要用在潛艇、深潛器和魚雷發(fā)射水缸等方面。據(jù)報道鈦合金在，經(jīng)過 4.5 年其腐蝕率僅為 7.6×10-4μm/a[6]，幾乎可以忽略。

超音速火焰噴涂微納米陶瓷涂層組織性能分析及激光重熔易吸收 O，H，N 等元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成塑性和沖擊韌、氧化熱焓高，對黏著磨損和微動磨損非常敏感。摩擦因數(shù)鈦火）及抗高溫氧化能力較差等缺點(diǎn)，嚴(yán)重影響了結(jié)構(gòu)件的范圍的進(jìn)一步拓寬[10]。由摩擦發(fā)生鈦火的故障已經(jīng)出現(xiàn)在多0、F404 發(fā)動機(jī)等。文獻(xiàn)[11]采用雙圓環(huán)結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)件基于旋模擬試驗(yàn)，，最后發(fā)現(xiàn) TC4 鈦合金在高速摩擦下完全燃燒，
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG174.4;TG665

【參考文獻(xiàn)】

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3 王蘭;王樹奇;陳康敏;張秋陽;;TC4和TC11合金磨損性能的對比研究[J];摩擦學(xué)學(xué)報;2015年02期

4 劉全明;張朝暉;劉世鋒;楊海瑛;;鈦合金在航空航天及武器裝備領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展[J];鋼鐵研究學(xué)報;2015年03期

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相關(guān)碩士學(xué)位論文 前5條

1 吳杰;新型WC-Co熱噴涂粉末HVOF涂層制備及性能研究[D];江西理工大學(xué);2016年

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4 葉義海;WC-CO熱噴涂層力學(xué)性能與殘余應(yīng)力研究[D];西南交通大學(xué);2010年

5 張建平;超音速火焰噴涂中氣固兩相流的數(shù)值模擬與研究[D];華中科技大學(xué);2009年

本文編號：2620793