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超音速等离子喷涂mo基导电耐磨涂层设计与研究

超音速等离子喷涂Mo基导电耐磨涂层设计与研究

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作者：奚恒恒西安理工大学

学位级别：硕士

导电耐磨元件目前已广泛应用于高端装备滑动电接触部件的表面性能提升。近年来,电子通讯、轨道交通和航空航天等领域的快速发展进一步促进了该类产品的研究与应用。随着资源节约型社会的需求发展,采用表面涂层技术来提高装备零部件表面... 详细信息

导电耐磨元件目前已广泛应用于高端装备滑动电接触部件的表面性能提升。近年来,电子通讯、轨道交通和航空航天等领域的快速发展进一步促进了该类产品的研究与应用。随着资源节约型社会的需求发展,采用表面涂层技术来提高装备零部件表面的导电耐磨性能的成本较小、功能性多样,已成为当前的热门技术。目前,研究人员主要通过采用合适的涂层制备技术及特殊的材料体系成分来提高涂层的导电耐磨性能,以满足其特殊工况下的性能需求。本文分析了导电耐磨元件在苛刻服役工况下的失效形式,进而采用热喷涂技术喷涂全新的材料体系粉末来改善零部件表面的综合防护性能。设计并制备了 mo-zr-ti-re材料体系粉末,确定了涂层的最优喷涂工艺参数,采用超音速等离子喷涂技术进行涂层的制备,利用Spray Watch2i在线监测系统探索了熔滴粒子的瞬时飞行过程,通过扫描电镜对涂层组织结构形貌进行表征,借助透射电镜检测了涂层的物相成分,采用高精度仪器化压入仪和金刚石压头压入到涂层表面测量涂层的硬度、弹性模量和断裂韧性,对裂纹的扩展行为进行了探索,利用万能拉伸试验机测试涂层的内聚强度,对涂层的拉伸断裂失效形式进行了分析,对涂层的内聚强度进行优化,测量了涂层的残余应力和导电性。最后,对涂层的摩擦磨损性能及载流摩擦学性能进行了评估。研究结果如下:(1)确定了全新的高温高速超音速等离子喷涂技术制备mo基涂层的材料体系成分(mo-zr-ti-re),制备了 mo-zr-ti、mo-zr-ti-3%re、mo-zr-ti-6%re 和 mo-zr-ti-12%re 四种喷涂颗粒。粉体颗粒呈近球形,其粒径为10～80 μm。飞行粒子的瞬时温度为2698℃,瞬时速度为433 m/s。(2)涂层的孔隙、裂纹、未熔和半熔区域等缺陷较少,涂层与基体的界面结合较好,未见剥离现象。涂层中形成了部分亮色区域和暗色区域,EDS能谱结果表明亮色区域为富re区域。同时,涂层中形成了 mo-re合金。(3)re元素含量的增加普遍提高了涂层的截面硬度和孔隙率、表面硬度和弹性模量,mo-zr-ti-6%re涂层的断裂韧性最大为4.31 MP m1/2。mo-zr-ti-12%re涂层的断裂韧性为4.26 MP m1/2。观察压痕周边的裂纹发现富re区域改变了裂纹的扩展路径,裂纹在遇到富re区域后,会发生大幅度的偏转,部分裂纹在扩展过程中也会形成二次微裂纹。同时,拉伸断裂失效部位发生在涂层的内部。后期的工艺优化分析发现当基体温度为150℃时,涂层的内聚强度最高,达到40.7 MPa。测得涂层的残余应力均为压应力。同时re元素的加入降低了涂层的导电性。(4)re元素含量的增加使得涂层的平均摩擦系数和磨损量整体呈减少趋势,涂层磨损表面存在着片层剥落坑,在磨损过程发生了明显的塑性变形、犁沟现象、粘着磨损现象和少量的氧化。EDS表明磨削主要来自于涂层自身材料的脱落。(5)随re元素含量的增加,涂层的载流摩擦系数和磨损率均下降。摩擦过程中,磨损表面产生大量的粘着磨损和大量的氧化现象,mo-zr-ti-6%re涂层产生了烧蚀现象。同时re元素的增加导致Al销对磨件的磨损较为严重。

关键词：超音速等离子喷涂 mo-zr-ti-re涂层富re区域内聚强度摩擦磨损

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