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基于铝热反应的高温熔体喷射沉积熔覆机理研究

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基于铝热反应的高温熔体喷射沉积熔覆机理研究

作者：沈书成湖南大学

学位级别：硕士

表面熔覆涂层技术是用于提高部件及构件表面耐蚀耐磨性能的主要技术之一。随着诸如大型模具、重载自卸车车身、船用甲板、压力容器等大型构件用材对耐蚀耐磨性要求日益提高,而激光熔覆、电子束包覆、热喷涂等常用表面熔覆涂层技术在制... 详细信息

表面熔覆涂层技术是用于提高部件及构件表面耐蚀耐磨性能的主要技术之一。随着诸如大型模具、重载自卸车车身、船用甲板、压力容器等大型构件用材对耐蚀耐磨性要求日益提高,而激光熔覆、电子束包覆、热喷涂等常用表面熔覆涂层技术在制备大面积厚涂层方面存在若干局限性。因此,发展新型高效大面积厚熔覆涂层技术,实现单道次涂覆面积大,厚度在较大范围内可控以及与基体结合牢固等效果,将具有十分广泛的应用前景。本文将金属热还原制备合金过程引入到喷射沉积涂层制备中,发展出一种基于铝热反应/喷射沉积的合金及其原位氧化物增强的熔覆涂层技术。采用此技术制备了高碳钢和高碳合金钢两种涂层,采用光学显微镜(OM)、带能谱(EDS)的扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)对涂层的相结构和微观组织进行了研究;采用拉力机测试了涂层的结合强度;采用显微维氏硬度计测试了涂层的硬度;采用SFT-2M球盘式摩擦磨损试验机测试涂层的抗干磨损性能,采用CHI660C型电化学工作站测试涂层在溶度为3.5%的NaCl溶液中抗腐蚀性能;以探讨喷射熔覆工艺参数(喷射距离、雾化气压和基体预热温度)对基体和高碳钢涂层微观组织和性能的影响。本文还探索了 Cr元素和Ni元素对高碳合金钢涂层的组织结构转变和性能的影响。研究表明:采用铝热反应与喷射沉积相结合的喷射熔覆涂层技术制备大面积厚涂层在工业应用方面是可行的,涂层与基体达到良好的冶金结合。涂层为典型的快速凝固组织,晶粒尺寸为5-20μm,主要形成了层间距极细珠光体(索氏体)组织,涂层硬度达410HV。涂层与基体的结合强度为300-400MPa,界面断裂机制有解理断裂和准解理断。通过多次实验,最终获得了较好的工艺参数:喷射距离为150mm、雾化气压为0.3-0.4MPa、基体的预热温度为650-700℃、液流直径为5mm、雾化角度为5°。在添加了 Cr元素和Ni元素后涂层的微观组织由珠光体组织转变为上贝氏体组织,并随着Cr元素和Ni元素含量的增加,涂层微观组织逐渐转变为奥氏体组织,同时,在涂层中发现了少量的微米级和亚微米级A12O3颗粒。通过添加Cr元素和Ni元素涂层的硬度分别达到413HV(5%Cr-5%Ni)、450HV(10%Cr-10%Ni)和475HV(10%Cr-20%Ni),在3.5%的NaCl溶液中的腐蚀电流分别达到2.926×10-6 A/cm2(5%Cr-5%Ni)、1.425×1 0’6 A/cm2(10%Cr-10%Ni)和1.377×10-6 A/cm2(10%Cr-20%Ni),磨损速率分别为 1.87×10-7mm3/mN(5%Cr+5%Ni)、1.74×10-7 mm3/mN(10%Cr+10%Ni)和 1.86×10-7 mm3/mN(10%Cr+20%Ni),与基体和高碳钢涂层相比较都有较大程度的提高,表明喷射熔敷高碳合金钢涂层对构件及部件具有较好的防护作用。

关键词：喷射沉积快速凝固表面熔覆铝热反应

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难熔高熵合金的研究进展

材料导报 2021年第17期35卷 17064-17080页

作者：陈刚罗涛沈书成陶韬唐啸天薛伟湖南大学材料科学与工程学院长沙410082

高熵合金(HEAs),又称为多主元固溶体合金,其因独特的合金设计理念和优异的综合性能而引起国内外研究人员的普遍关注,逐渐成为金属材料领域的研究热点。难熔高熵合金(RHEAs)是基于难熔元素的高熵合金而设计开发的一种新型高温合金,与传... 详细信息

高熵合金(HEAs),又称为多主元固溶体合金,其因独特的合金设计理念和优异的综合性能而引起国内外研究人员的普遍关注,逐渐成为金属材料领域的研究热点。难熔高熵合金(RHEAs)是基于难熔元素的高熵合金而设计开发的一种新型高温合金,与传统的高温合金相比,RHEAs具有更高的高温强度、高温抗氧化性能及高温相稳定性,在航空航天、石油化工等领域具有广阔的应用前景,自2010年被提出以来,已成为高熵合金研究领域的一个重要分支。迄今为止,学者们主要将第4、5、6周期及第Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ副族的9种元素(Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W)以及Al、C、Co、Ni等附加元素作为难熔高熵合金的主元,形成了复杂多样的合金体系。已报道的合金体系有100多种,这些合金的相结构从单相BCC结构到BCC1+BCC2、BCC+Laves等两相再到多相结构,呈现出结构多样性,组织有枝晶、等轴晶以及共晶组织或形变孪晶组织等,由此得到的性能也各有所长。RHEAs的制备最先采用熔炼法,包括电弧熔炼和感应熔炼,要求在高纯保护气体下进行多次重熔。近年来也有研究采用粉末冶金法制备RHEAs,获得了颗粒尺寸细、成分较均匀的合金。此外,激光熔覆法、磁控溅射等也被引入到RHEAs的材料或涂层制备。可见,RHEAs在成分设计、制备工艺、相结构与微观组织、室温及高温性能等方面的研究正不断取得新的进展。本文综述了近年来国内外RHEAs的研究现状,就其主元组成、相结构和制备方法进行了系统的介绍,并归纳了包括密度和强塑性、高温抗氧化性以及耐磨耐蚀性等性能的演变规律,最后指出了RHEAs面临的挑战并提出未来研究重点的建议。

关键词：难熔高熵合金主元组成相结构强塑性高温抗氧化性

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形变时效态Al-3.0Cu-1.8Mg-0.5Si合金的强化机制研究

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湖南大学学报（自然科学版） 2022年第6期49卷 192-202页

作者：牛凤姣伍翠兰武静沈书成罗世芳湖南大学材料科学与工程学院湖南长沙410082 长安大学现代工程训练中心陕西西安710061

时效前形变的引入,可以改变析出强化型Al-Cu-Mg(-Si)合金的时效析出过程,并且这种变化与形变量直接相关.为研究多元合金的形变强化机制,有必要利用电子背散射衍射(EBSD)、X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)等多种表征手段,对不同形... 详细信息

时效前形变的引入,可以改变析出强化型Al-Cu-Mg(-Si)合金的时效析出过程,并且这种变化与形变量直接相关.为研究多元合金的形变强化机制,有必要利用电子背散射衍射(EBSD)、X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)等多种表征手段,对不同形变时效态Al-3.0Cu-1.8Mg-0.5Si(wt.%)合金的强化方式进行定量或半定量计算,阐述不同强化方式对强度的贡献,为铝合金中形变时效工艺的应用提供理论支撑.研究发现,形变量的提高可以提高合金峰值硬度和强度,原因在于三个方面,一是晶界面积的增加,二是位错密度的增大,三是析出相尺寸更细小、分布更均匀.并且,当形变量大于6%时,形变量越大,析出相对强度的贡献越高.

关键词：铝合金形变时效 EBSD XRD TEM

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基于铝热反应FeCrNiCuAlSn0.5 高熵合金涂层的制备

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材料导报 2020年第17期34卷 17047-17051页

作者：陈刚罗涛沈书成陶韬唐啸天薛伟夏义湖南大学材料科学与工程学院长沙410082

高熵合金(HEA)由于其多主元和高混合熵的特点,具有一些传统合金难以实现的优异性能,在表面技术领域具有很大的应用前景。本研究采用基于铝热反应/喷射沉积的高熵合金熔覆涂层技术,在45钢表面制备了FeCrNiCuAlSn 0.5高熵合金涂层,并采用... 详细信息

高熵合金(HEA)由于其多主元和高混合熵的特点,具有一些传统合金难以实现的优异性能,在表面技术领域具有很大的应用前景。本研究采用基于铝热反应/喷射沉积的高熵合金熔覆涂层技术,在45钢表面制备了FeCrNiCuAlSn 0.5高熵合金涂层,并采用XRD、SEM和EDS分析了FeCrNiCuAlSn 0.5高熵合金涂层的相结构、显微组织及元素分布,利用维氏硬度仪、顶断试验机和球盘式摩擦计测定了涂层的硬度、结合强度及摩擦磨损性能。结果表明,喷射涂层主要由FCC相和BCC相组成,可能含有少量的Ni 3Sn 2相。涂层组织为树枝晶,二次枝晶臂间距大约为(5.25±2.75)μm,平均冷却速度达到2.37×104 K/s。涂层与基体交界处未出现气孔、夹杂等缺陷,实现了良好的冶金结合,涂层与基体的平均结合强度为(412.8±16)MPa。涂层的平均显微硬度值为(539±10)HV,摩擦系数为0.50,磨损率为(7.24±0.52)×10-6 mm 3/(N·m);而45钢基体的摩擦系数为0.75,磨损率为(1.45±0.35)×10-5 mm 3/(N·m),表现出比基体更为优异的耐磨性能。

关键词：高熵合金铝热反应喷射沉积涂层

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粉末冶金Fe-13Cr-0.5Mo-3Nb透气钢的制备及其模具应用性能

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粉末冶金材料科学与工程 2019年第4期24卷 340-348,357页

作者：陈刚朱立华吴旭升沈书成湖南大学材料科学与工程学院长沙410082 江西安而泰合金科技有限公司新余338012

以一种高碳含铌不锈钢Fe-13Cr-0.5Mo-3Nb合金粉末为原料,通过粉末冶金法制备多孔透气钢,研究粉末粒度、压坯密度和烧结温度对透气钢的结构与性能的影响。并研究该透气钢在注射成形模具制备中的应用性能。结果表明:采用粒径96~120μm的粉... 详细信息

以一种高碳含铌不锈钢Fe-13Cr-0.5Mo-3Nb合金粉末为原料,通过粉末冶金法制备多孔透气钢,研究粉末粒度、压坯密度和烧结温度对透气钢的结构与性能的影响。并研究该透气钢在注射成形模具制备中的应用性能。结果表明:采用粒径96~120μm的粉末,在平均压坯密度5.6g/cm3,烧结温度1280℃条件下制备的透气钢具有高的强度、良好的透气性以及优异的耐蚀性能,其屈服强度为295MPa,腐蚀速率为0.016mm/y,该透气钢用于注射模具可明显地改善注塑产品的表面质量。与进口同类材料相比,在保证良好的透气性与耐蚀性基础上,可明显提高模具的力学性能。

关键词：透气钢粉末冶金透气性能力学性能耐腐蚀性能

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