本文關鍵詞： cBN-NiCrAl 機械合金化 冷噴涂 顯微結構 力學性能　出處：《西安交通大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：金屬陶瓷涂層由于具有優(yōu)異的耐磨損性能與耐腐蝕性能因而在采礦、鉆探、機械加工等工業(yè)領域得到了廣泛應用。在超音速火焰噴涂和爆炸噴涂等金屬陶瓷涂層常規(guī)制備工藝中,金屬粘結相的熔化過程會導致粉末在沉積過程中發(fā)生諸如增強相分解、增強相向液態(tài)金屬粘結相溶解、納米顆粒消失、粉末氧化等有損涂層性能的轉變。冷噴涂是一種采用高速氣體在較低的溫度下加速粒子,使其在完全固態(tài)下通過充分的塑性變形而沉積的新型涂層制備技術。較低的氣體溫度(800℃)可以使粉末避免常規(guī)熱噴涂工藝中的熱影響,較高的粒子速度(~300-1200 m·s-1)有利于獲得組織致密的涂層。因此,冷噴涂是制備高性能金屬陶瓷涂層的潛在有效方法。但目前對于金屬陶瓷粉末沉積行為、粒子高速碰撞過程中顯微結構演變、后熱處理對粒子間結合界面和硬質相/粘結相結合界面等會顯著影響金屬陶瓷涂層性能等方面的系統(tǒng)性研究較少。對于陶瓷相含量一定的金屬陶瓷材料,整體材料的硬度隨陶瓷相顆粒的硬度增加而增加,耐磨損性能也隨之增強。因此,本文以超硬的立方氮化硼(cBN)陶瓷顆粒為增強相(50-60 GPa)、以NiCrAl合金為基體材料,通過機械合金化方法制備復合粉末,系統(tǒng)的研究了冷噴涂金屬陶瓷復合粉末的機械合金化制備規(guī)律。通過冷噴涂沉積復合涂層,研究了粒子參量和粉末結構對冷噴涂沉積行為的影響規(guī)律及冷噴涂粒子高速撞擊過程中cBN-NiCrAl復合粒子顯微結構和力學性能的變化規(guī)律;研究了熱處理溫度對涂層中cBN-NiCrAl界面結合及粒子間結合、涂層顯微結構和力學性能的影響規(guī)律;通過兩體磨粒磨損試驗測試了冷噴涂cBN-NiCrAl復合涂層的耐磨性能并考察了主要磨損機制。研究提出一種“階梯狀”的機械合金化方法,解決了高體積陶瓷相含量金屬陶瓷復合粉末制備過程中粉末粒度隨球磨時間迅速減小的難題。通過“階梯狀”機械合金化方法球磨40 h后可獲得cBN在NiCrAl合金基體中均勻分布,平均粒徑為22mm、NiCrAl合金基體晶粒尺寸為27 nm、cBN顆粒呈納米、亞微米多尺度分布的40vol.%cBN-NiCrAl復合粉末。通過在球磨介質表面制備NiCrAl保護層和采用“階梯狀”機械合金化方法可以使球磨介質引入的Fe污染從10.9wt.%降低到2.2wt.%。闡明了機械合金化金屬陶瓷復合涂層的冷噴涂沉積規(guī)律。結果表明采用機械合金化工藝制備的20vol.%、40vol.%cBN-NiCrAl復合粉末通過冷噴涂可以沉積獲得結構致密,與基體結合良好的復合涂層。以cBN-NiCrAl復合粉末和微米級cBN的混合粉末沉積涂層時,一定數量的微米級cBN可沉積到了涂層中,使復合涂層中的cBN含量可以進一步增加到60vol.%。在相同的氣體溫度下,隨著粒子速度的增加,復合粉末的沉積效率逐漸增加。由于沉積效率較低時未沉積粒子對涂層撞擊引發(fā)了更為顯著的加工硬化效應,因此較低速度的粒子對應涂層的硬度更高。發(fā)現了機械合金化金屬陶瓷復合粉末冷噴涂沉積中不符合隨粒子硬度增加沉積效率降低的規(guī)律。研究結果表明,粒子顯微結構對粒子的沉積行為具有顯著影響,硬度較高的納米晶粉末和納米結構金屬陶瓷復合粉末中的大量晶界和cBN/NiCrAl異質界面對高速撞擊產生的彈性波的散射作用導致粒子撞擊的彈性能顯著降低,因此出現了粉末沉積效率隨粉末硬度上升而增大的現象。研究確認了納米結構cBN-NiCrAl復合粉末在冷噴涂沉積過程中其相結構未發(fā)生顯著變化、NiCrAl合金基體的納米晶粒未發(fā)生長大,而cBN/NiCrAl界面處合金基體相發(fā)生非晶化與晶粒有序化取向的現象。cBN含量為20vol.%、40vol.%、60vol.%的復合涂層的硬度分別達到1055 HV、1172 HV及1270 HV。壓痕斷裂韌性測試結果表明,20 kg載荷未能在20vol.%、40vol.%cBN-NiCrAl涂層斷面內誘發(fā)裂紋,60vol.%cBN-NiCrAl復合涂層的斷裂韌性約為20.4 MPa·m0.5,顯著高于與其硬度相當的超音速火焰噴涂WC-17Co涂層。研究發(fā)現cBN/NiCrAl界面非穩(wěn)態(tài)組織極大的促進了cBN/NiCrAl界面反應,為制備納米結構的強界面結合的復合涂層提供了依據。亞微米、納米cBN與NiCrAl基體在熱處理溫度達到825℃時發(fā)生化學反應,微米尺度cBN與NiCrAl基體在熱處理溫度達到1000℃發(fā)生化學反應,遠低于文獻報道的1300-1400℃。825℃/5 h熱處理后,粒子間未結合界面部分愈合,亞微米、納米尺度cBN與NiCrAl在界面處形成厚度約為5-25 nm的鋸齒狀Cr_2N、Ni_3B反應層,NiCrAl合金基體的納米晶粒也可以保留下來。涂層的硬度有所下降,涂層的斷裂韌性大幅度增加。研究闡明了涂層組成及結構與熱處理條件對cBN-NiCrAl復合涂層磨粒磨損性能的影響規(guī)律。隨著涂層中陶瓷相含量的增加,涂層的耐磨性不斷提高。750℃/5 h熱處理后的20vol.%、40vol.%cBN-NiCrAl復合涂層的耐磨性最高,其次為噴涂態(tài)和825℃/5h熱處理后的涂層。60vol.%cBN-NiCrAl復合涂層的耐磨性隨熱處理溫度的升高而提高,825℃/5 h熱處理后的涂層的耐磨性最高。20vol.%,40vol.%cBN-NiCrAl復合涂層的主要磨損機理為Si C磨料造成的塑性犁削,噴涂態(tài)涂層中還存在結合較弱粒子的剝落。60vol.%cBN-NiCrAl復合涂層的磨損機理主要是SiC磨料對40vol.%cBN-NiCrAl粒子的優(yōu)先去除和微米尺度cBN的剝落。由于60vol.%復合涂層中突出的微米尺度cBN顆粒使磨粒無法連續(xù)壓入粘結相,因此耐磨性能大幅度提高,磨損率約為超音速火焰噴涂制備的WC-12Co涂層的1/2。
[Abstract]:In this paper , the effects of thermal treatment temperature on the microstructure and mechanical properties of metal ceramic coatings are studied . The results show that the wear resistance of the coating is about 20.4 MPa 路 m0 . 5 . The wear resistance of the coating is about 20.4 MPa 路 m0 . 5 . The wear resistance of the coating is about 20.4 MPa 路 m0 . 5 . The wear resistance of the coating is up to 20 vol . % , 40 vol . % and NiCrAl composite coating .

【學位授予單位】：西安交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TG174.4

【參考文獻】

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本文編號：1476640