铝合金表面不同厚度304不锈钢涂层力学及摩擦行为的影响机制

作     者：张新懿 

作者单位：兰州理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李文生;成波

授予年度：2023年

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：304不锈钢涂层 微观结构 残余应力 力学性能 摩擦性能 

摘      要：铝合金由于密度低、比强度和比刚度高及易加工成型等优势,被广泛应用于航空航天、军工、汽车等领域的关键结构件。但较低的硬度和耐磨性限制了铝合金在重载耐磨领域的推广。涂层作为表面改性的一种工艺,在轻金属表面强化方向得到了广泛应用,热喷涂技术是常用的涂层制备方法。对于能显著提高铝合金重载耐磨性能的超厚涂层体系,其受到沉积历史热作用以及沉积厚度的影响时,涂层在后续沉积过程中微观组织结构及性能会发生明显变化。本文利用超音速火焰喷涂（HVOF）技术在铝合金表面制备不同沉积厚度的304不锈钢涂层,探究涂层厚度与微观组织结构、力学性能及摩擦学性能之间的对应关系,提出了沉积历史对涂层的组织结构及摩擦磨损性能的影响和作用机理,具体内容有以下三个方面:随着涂层厚度的增加,整体孔隙率、氧含量呈上升趋势,且组织主要为奥氏体相,涂层晶粒比原始粉末显显细化。涂层沉积厚度由200μm增加到1000μm时,涂层中孔隙由细小变得粗大,孔隙率上升（C200≈0.5%、C600≈2.5%、C1000≈4.3%）,氧含量（C200≈2.4%、C600≈3.1%、C1000≈4.2%）也增加;涂层中均存在熔融、半熔颗粒和氧化物颗粒,涂层中的组织主要为奥氏体相及少量由相变产生的铁素体组织;且由于未熔颗粒的塑性变形及熔融颗粒的急速冷却均使奥氏体晶粒得到了细化。随着涂层厚度的增加,涂层中的残余压应力（C200≈-323.69 MPa、C600≈-164.98 MPa、C1000≈-112.27 MPa）逐渐减小。随着涂层厚度的不断增加,涂层显微硬度、弹性模量以及结合强度均呈降低趋势,但涂层等效抗弯刚度呈上升趋势。三种厚度涂层平均显微硬度(388.1 HV)约为基体(82.4 HV)的4.7倍;随着涂层厚度的增加,涂层显微硬度和弹性模量分别为413.8HV、388.2 HV、380.3 HV和158.7 GPa、140.1 GPa、135.4 GPa;涂层结合强度分别为50.4 MPa、43.6 MPa、39.6 MPa,孔隙和半熔颗粒的增多会导致涂层层间结合弱点的增多,此外压应力降低有利于裂纹的萌生和扩展,导致涂层体系界面脱粘;涂层越厚所需断裂能越大,涂层的等效抗弯刚度也越大,断裂方式为脆性断裂同时伴有韧性断裂。在滑动速度为0.25 m/s和载荷为5 N的摩擦条件下,涂层耐磨性相比基体更佳,最高可提升3.7倍。但随着载荷和滑动速度的增加,涂层的耐磨性会相应降低。在上述摩擦条件下,涂层的摩擦系数相比基体表现更加稳定,涂层的磨损率分别为1.48×10mm·N·m、1.88×10 mm·N·m、2.08×10 mm·N·m,基体为5.53×10 mm·N·m,磨损机制主要由犁沟磨损和疲劳磨损为主,并伴随氧化磨损;随着载荷的增加,摩擦系数呈现降低的趋势,但磨损率的变化与之相反,滑动速度增加会使得摩擦闪温的升高,从而导致涂层抗塑性变形能力下降,耐磨性降低;随着涂层厚度增加,缺陷的增加以及残余压应力的降低使得涂层在较高的载荷和滑动速度下犁沟磨损和疲劳磨损更为严重。