碳化铌和包覆石墨烯增强镍基自润滑涂层的制备及其耐磨性能研究

作     者：张文豪 

作者单位：齐鲁工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈照强

授予年度：2023年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 080704[工学-流体机械及工程] 08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0804[工学-仪器科学与技术] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：激光熔覆技术 表面包覆 石墨烯 碳化铌 自润滑复合涂层 摩擦磨损性能 

摘      要：在液压泵和液压马达使用过程中,活塞杆与内壁的持续往复接触和相对运动是导致构件磨损产生表面损伤与失效的主要原因,严重影响液压泵和液压马达的使用寿命。针对该技术需求,本文在合金粉末中添加陶瓷增强相和包覆型固体润滑剂制备得到兼具良好力学性能和自润滑性能的自润滑耐磨涂层,以实现液压泵和液压马达活塞表面减磨耐磨性能的提升。制备了在镍基合金粉末(Ni60)中添加碳化铌(Nb C)的碳化铌增强镍基复合涂层(NNT)。实验结果表明,与未添加陶瓷相的Ni60涂层材料相比,添加20vol.%的NNT涂层材料的显微硬度由680.1 HV增加到882.9 HV,提高了29.8%。SEM分析发现,Nb C作为陶瓷增强相其本身的高硬度有助于提高复合涂层的显微硬度;Nb C颗粒在涂层中均匀分布,其较大颗粒能够很好的抑制晶粒生长,而其较小的颗粒作为金属结晶的形核基底提高了形核率;同时Nb C的导热率明显低于Ni等金属材料,减小了熔池凝固的温度梯度,抑制了晶粒生长进而细化晶粒,增强了复合涂层材料的力学性能。研究了熔覆工艺参数对熔覆效果的影响。分别以900W、1200 W、1500 W、1800 W和2100W五种不同激光功率和500 mm/min、750 mm/min 1000 mm/min、1250 mm/min和1500 mm/min五种不同扫描速度,进行了熔覆实验。结果表明,熔覆工艺参数对熔覆层的物相组成没有明显影响。最优熔覆工艺参数为1500W、1000mm/min时,碳化铌颗粒在熔覆层中均匀分布,熔覆层中粗大的棒状晶、树状晶和胞状晶消失,熔覆层主要为均匀生长的胞状晶,显微硬度最高为967HV。为了减少激光熔覆过程中高能激光束对石墨烯的破坏,利用正硅酸乙酯水解生成非晶态二氧化硅(Si O)作为包覆粉体的外壳,通过非均匀成核法制备得到以石墨烯为核,非晶态二氧化硅为壳的包覆石墨烯(G@Si O)。实验研究发现,正硅酸乙酯为9 m L、正硅酸乙酯的滴加速度为0.4 m L/min、PH值为8.5时可以获得包覆结构良好的G@Si O。非晶态二氧化硅外壳厚度在30-40nm左右。将G@Si O和Nb C同时添加到Ni60中制备得到自润滑复合涂层(NNG@T)。研究发现,在NNG@T自润滑涂层材料中,G@Si O能够促进Nb C晶粒细化,当G@Si O含量为10 vol%时涂层微观形貌良好,Nb C颗粒尺寸较小且分布均匀。在激光熔覆实验中,G@Si O包覆结构中的非晶态二氧化硅外壳能够散射激光束,使高能激光束聚焦性降低,对石墨烯的完整性起到了良好的保护作用。另一方面,G@Si O的添加很好的提高了Nb C增强相的分散性,NNG@T显微硬度最高为946HV,相比于45钢基体材料大幅提高了302.7%。测试了自润滑涂层材料的摩擦磨损性能。测试数据表明:不同摩擦参数下,G@Si O含量为10vol%的NNG@T自润滑涂层材料均表现出良好的自润滑效果。与其他摩擦参数相比,载荷压力25N、往复频率10Hz时,NNG@T自润滑涂层材料摩擦系数值最低稳定在0.25左右,磨损量最低为2.45×10μm,比未添加G@Si O的NNT的摩擦系数降低了48%,磨损量降低了60%。SEM分析表明,G@Si O石墨烯颗粒析出能够在涂层磨损表面堆积成润滑膜,实现NNG@T自润滑涂层材料良好的自润滑效果。