铝合金表面等离子喷涂铁基复合涂层结构及摩擦学性能研究

作     者：王宾 wangbin

作者单位：兰州理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：阎峰云

授予年度：2014年

页      码：56页

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：铝合金发动机 等离子喷涂 高铬铁基涂层 摩擦学性能 

摘      要：本课题针对铝合金发动机气缸内壁表面防护问题,制备了一种适用于铝合金发动机气缸防护的高铬铁基粉末及其涂层,并通过初选粉末成分的优化设计对涂层进行了改进,主要研究了涂层结构及其在不同情况下的摩擦学性能。 初选一种铬(Cr)含量较高的铁基粉末,利用大气等离子喷涂技术在铝基体上制备了涂层,同时还制备了316L不锈钢涂层及HT200灰铸铁缸套材料。在UMT-3多功能摩擦磨损试验机上进行对比摩擦实验,验证了所采用的高铬铁基涂层用于铝合金发动机气缸防护的可行性。 针对前期试验中发现的高铬铁基涂层硬度韧性偏低、耐腐蚀性较差及内部结构仍不够合理等缺陷,通过对粉末成分的优化设计,结合等离子喷涂工艺的特点,制备出了整体得到显著强韧化的新型高铬铁基涂层,涂层平均硬度值从476.22HV0.1提高到664.94HV0.1。涂层的耐腐蚀性显著提高,在腐蚀性摩擦实验磨痕周围未发现明显的腐蚀痕迹。涂层内部致密,孔隙率为2.36%。摩擦实验表明,优化后涂层在大气环境、油环境及腐蚀性油环境下的摩擦系数及磨损率较之优化之前均有显著降低,涂层性能更加稳定。 新型高铬铁基涂层分别与电镀铬(Cr)及物理气相沉积(PVD)技术制备的氮化铬(CrN)、氮化钛(TiN)和类金刚石碳膜(DLC)等活塞环材料在油润滑环境下的摩擦实验表明：电镀Cr涂层和DLC涂层均能有效的减轻对喷涂涂层表面的划伤。经电镀Cr摩擦后,气缸涂层表面的磨痕内出现了许多相互联通的孔隙,而DLC对气缸涂层的损伤极为轻微;CrN对磨过后,气缸涂层上的磨痕内部留下了很多明显的划伤痕迹,并且涂层表面原有的敞开型孔隙有轻微扩展的迹象;TiN对磨后,气缸涂层磨损严重,出现了严重的犁沟和裂纹萌生。 涂层在定载荷变频率的1N和3N的低载条件下,随着频率的增加摩擦系数逐渐升高,载荷为10N、15N、25N和30N的中高载条件下,随着频率的增加摩擦系数呈现降低的趋势。定频率变载荷时,中频段的4Hz、5Hz,(?)低频段的2Hz及高频段的8Hz条件下,随着载荷的升高摩擦系数逐渐降低;频率为1Hz和9Hz这两个端点频率处,随着载荷的升高摩擦系数先降低后升高。数值模拟结果表明,在所选载荷的整个范围及中低频范围内,摩擦系数稳定在0.1左右,且波动很小。在中等载荷及较高频率还有最高载荷及最高频率所围成的很小的范围内,摩擦系数出现了显著地降低,其数值在0.05～0.07内,在低载荷和高频条件下,摩擦副之间表现出显著升高的摩擦系数,其最高值也突破了0.2。