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开题报告
材料科学与工程学院
本科毕业设计(论文)开题报告
论文题目镍基/铜基多元结构涂层的性能
毕业论文题目
镍基/铜基多元结构涂层的性能
题目来源
科研
一、选题依据:
众所周知材料的磨损是零件的主要失效形式。
机械零件磨损的主要类型有磨料磨损、胶合磨损、疲劳磨损和磨蚀磨损,据统计全世界每年因磨损而报废的钢材与设备占年产量的30%。
通过改善材料的耐磨性能来降低材料的损耗一直是机械行业和材料行业非常关注的问题。
采用超音速等离子喷涂技术在零件表面制备涂层来提高耐磨性能是很有效的方法。
本课题的研究主要采用先进的超音速等离子喷涂技术制备镍基合金/高铝青铜复合粉体涂层,研究复合涂层摩擦磨损性能,探讨制备的减摩耐磨涂层摩擦磨损特征及机理。
旨在通过本课题的研究希望对机械零部件的使用效率和使用寿命,提高涂层的耐磨性能有一定的帮助。
表面工程技术可以提高材料的耐磨性、耐腐蚀,对零部件表面进行强化以及防止磨损和腐蚀,而热喷涂技术可以进行零部件表面防护和强化。
热喷涂,就是利用某种热源,如电弧、弧、燃烧火焰等将粉末状或丝状的金属和非金属涂层材料加热到熔融或半熔融状态,然后借助焰流本身的动力或外加的高速气流雾化并以一定的速度喷射到经过预处理的基体材料表面,与基体材料结合而形成具有各种功能的表面覆盖涂层的一种技术。
清华大学摩擦学国家重点实验室杨文言等人利用扫描电镜观察了铝青铜涂层微动磨损特性。
结果表明,在镍基合金表面喷涂铝青铜涂层改变了微动磨损摩擦副的对偶材料,由原镍基合金之间的对摩变为铝青铜涂层材料之间的对磨,且磨损失重减小。
说明铝青铜涂层材料对微观裂纹有自身弥合的能力,改善了摩擦副的抗微动磨损性能。
所以本课题可采用超音速等离子喷涂技术制备镍基合金/高铝青铜复合粉体涂层,研究复合涂层摩擦磨损性能,探讨制备的减摩耐磨涂层摩擦磨损特征及机理。
根据热源的种类,热喷涂技术主要分为火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂,先进的超音速等离子喷涂系统如图1所示主要包括:
核心部件——超音速等离子喷枪、HEPJ-Ⅱ型逆变式等离子喷涂电源、PLC过程控制与状态点监测和报警控制柜、循环冷却制冷式热交换器、螺杆推进式送粉器及水电气分配器等部件。
超音速等离子喷
图1热喷涂设备配置图
涂是热喷涂技术的一种,它处于国际喷涂技术的前沿,在新能源、航空、半导体等领域有了广泛的应用,它具有设备投资少、材料来源广、涂层质量好、生产效率高、有优良的耐磨损、耐腐蚀和抗氧化等优点。
等离子喷涂技术由瑞耐克于1939年首创,近十几年,等离子喷涂技术发展很快,已开发出低压等离子喷涂、反应等离子喷涂、高频等离子喷涂、扩展弧超音速等离子喷涂等。
目前等离子喷涂技术的理论与开发应用已上升到一个新台阶,在表面工程和材料工程领域占据日益重要的位置。
其中超音速等离子喷涂是在20世纪90年代后国际上兴起的新型喷涂技术,其主要原理是借助超音速等离子射流,将入射其中的喷涂粉末熔融颗粒加速到音速以上(根据粒子的密度、尺寸和形状不同,速度大致在450-900m/s)所以具有涂层质量好、沉积效率高等优点。
由于粒子的速度较传统等离子有大幅度提高,因而超音速等离子喷涂在零部件的耐磨、耐热、抗氧化、腐蚀等方面有广泛的应用,近年来在复合材料等高科领域取得了一定的成绩。
超音速等离子喷涂较其他喷涂技术在复合材料和金属化合物的喷涂有很大的优势,超音速等离子喷涂涂层也受到了越来越多的工业部门的重视,在机械、材料方面取得了卓越的成绩。
制备涂层是为了改善零部件的耐磨性、抗腐蚀等性能。
根据实验所得的数据分析复合涂层摩擦磨损性能及制备的减摩耐磨涂层摩擦磨损特征及机理。
涂层耐磨性是指涂层表面抵抗某种机械作用的能力,主要取决于涂层成分、相组成、粒度与含量,涂层的耐磨性与涂层的结合强度、硬度、涂层颗粒等因素有关。
磨损是相互接触的物体在相对运动中表层材料不断损伤的过程,它是伴随摩擦而产生的必然结果。
由于磨损造成零部件的损耗严重,磨损问题引起了极大地重视。
机械零件的失效主要有磨损、断裂和腐蚀等三种方式,据统计,磨损失效约占60%一80%。
因此对材料耐磨性和磨损机理的研究,提高零部件的使用性能和寿命有重大的意义。
张培磊等采用激光熔覆技术在纯铜表面制备Cr3Si+γ-Ni+Ni2Si(45Ni-26Cr-29Si)和Ni16Cr6Si7+Ni2Si(60Ni-10Cr-30Si)(原子数分数,%)两种Ni基硅化物涂层。
利用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、能谱仪(EDS)、分析涂层不同的组织结构以及其形成原因。
测试涂层的室温摩擦磨损性能。
结果表明:
组织Cr3Si+γ-Ni+Ni2Si的涂层,平均硬度为1000HV,500g载荷下压痕边角出现裂纹,平均摩擦系数为0.5;组织为Ni16Cr6Si7+Ni2Si的涂层,平均硬度为900HV;1000g载荷下压痕边角没有裂纹产生,韧性较好,平均摩擦系数为0.5。
这表明铜镍涂层的优异性能。
Ni60合金粉末不仅具有良好喷涂工艺性能,而且其喷涂层具有优异的耐磨性、耐蚀性以及抗高温氧化等性能,已被广泛用于冶金、机械、矿山、石油、化工、汽车等领域易磨损部件的修复和预保护.
铜及铜合金材料具有高硬度、高强度、一定的塑性和良好的耐磨性、耐蚀性等优点,已广泛应用于机械工业、汽车和飞机制造工业等各个领域.铜基合金作为表面保护涂层材料,具有性能优良,成本低廉的特点,是制备表面涂层的理想材料.国内外许多学者通过真空热压烧结、热喷涂、等离子喷涂等表面工程技术成功制备了铜基涂层,并对涂层组织结构、机械性能、耐腐蚀及减摩耐磨等性能进行了研究,有效改善或提高了工件使用性能,延长了工件使用寿命,提高了经济效益.
为了制备出具有优异减摩耐磨综合性能的新型多元多相复合涂层,将这种减摩性能较强的Cu合金粉末和广泛使用的耐磨Ni60合金粉末进行混合研究,故本课题通过先进的超音速等离子喷涂技术制备镍基合金/高铝青铜复合粉体涂层,研究复合涂层的摩擦磨损性能。
课题来源于科技部国际合作项目及甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室项目,经费有保障。
二、文献综述:
Subramanian等根据涂层的发展历程把涂层技术分为3代:
第一代涂层指传统的单组分涂层,即运用单一表面工程技术制备的单组分单层涂层;第二代指二元复
合涂层;第三代指新近出现的多层涂层及多组元复合涂层,即运用一种或多种表面工程技术将具有不同性能的材料组合到同一体系中以得到单一材料无法具备的新的性能。
第二代二元复合涂层以及第三代多层涂层和多组元复合涂层均在复合涂层的范畴内。
一般复合涂层均具有比单一涂层更好的物理力学和摩擦学性能,因而成为目前涂层中极具应用潜力的研究对象。
在金属表面覆盖涂层的一般原理为:
超音速气体由气体输送装置进入喷枪后金属粉末由颗粒输送装置进入喷枪,粉末在气体的作用下高速运动,以超高速度撞击到金属基体表面,粒子在金属表面发生碰撞、变形、凝固和堆积,变形的颗粒与基材表面之间以及颗粒与颗粒之间互相粘结在一起,从而形成涂层。
随着科技的进步,单一材料的涂层已经不能适应特殊工况对涂层性能的更高要求,这必然推动涂层向复合涂层方向发展。
早期一般采用气相沉积方法在基体表面获得多相结构的二元复合涂层,从而获得较单一组元涂层更加优越的减摩抗磨性能。
多组元复合涂层的研究与应用,极大地提高了涂层性能,研究者向一些自熔性合金中(如Ni基、Fe基、Co基、Zr基)添加了增强物质,从而使制备的涂层耐热性、耐磨性以及耐腐蚀性得到极大提高,这种纤维增强或颗粒增强的涂层应用于工业零部件表面保护和修复中,为工业的发展作出了重要贡献。
就目前该类涂层的研究来看,研究者一般采用的添加强化物物质为单质元素或二元化合物,如Mo、石墨、WC、TiC、SiC、BN、MoS2等。
这些强化物质的添加,有效地改善了涂层自润滑性能、耐磨性能、耐腐蚀或者相关的涂层力学性能等。
王智平、刘俊钊、路阳等采用超音速等离子喷涂技术将新型多元铝青铜合金粉体喷涂在45号钢基体表面。
运用XRD、SEM、EDS、EPMA等手段分析了涂层的组织特点及元素分布情况。
结果表明,超音速等离子喷涂层主要由Cu,Ah、A1Fea、AIFe等相组成;涂层元素分布均匀;超音速等离子喷涂层硬度高于传统等离子喷焊层;涂层的结合强度为59.3MPa。
可见,经过工艺参数的优化,超音速等离子喷涂可以制备出类似于多元铝青铜合金的易氧化涂层。
刘晓鹏、张培磊、卢云龙等对纯铜表面激光熔覆Ni基硅化物涂层摩擦学性能进行了研究,采用激光熔覆技术在纯铜表面制备Cr3Si+γ-Ni+Ni2Si(45Ni-26Cr-29Si)和Ni16Cr6Si7+Ni2Si(60Ni-10Cr-30Si)(原子数分数,%)两种Ni基硅化物涂层。
利用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、能谱仪(EDS)、分析涂层不同的组织结构以及其形成原因。
测试涂层的室温摩擦磨损性能。
结果表明:
组织为Cr3Si+γ-Ni+Ni2Si的涂层,平均硬度为1000HV,500g载荷下压痕边角出现裂纹,平均摩擦系数为0.5;组织为Ni16Cr6Si7+Ni2Si的
涂层,平均硬度为900HV;1000g载荷下压痕边角没有裂纹产生,韧性较好,平均摩擦系数为0.5。
Ni60自熔性合金粉末具有优良的耐磨性、耐蚀性以及抗高温氧化性能,在冶金、机械、石油、化工、汽车等行业零部件保护和修复中得到了广泛应用。
杨效田等研制了一种高铝青铜合金粉体,其具有优异的减摩性和一定的耐磨、耐腐蚀性能,是一种很好的工件保护涂层材料,可应用于金属模具、轴类、管类、船舶等工件的表面防护,其相对于Ni基合金,成本低廉,但该材料属于脆性材料且不具有自熔性能,大面积制造涂层难度较大。
因此,本课题提出将这种减摩性能较强的铜合金粉末和广泛使用的耐磨Ni60合金粉末进行混合,制备出具有优异减摩耐磨综合性能的新型多元多相复合涂层,研究复合涂层的摩擦磨损性能,为后续涂层性能研究和工业化应用,具有重要意义。
三、研究内容:
1.课题研究内容
通过制备的Ni/Cu复合涂层进行摩擦磨损实验测定涂层的摩擦系数、磨损量、磨损后涂层的表面形貌及通过EDS分析涂层摩擦过程中的元素变化来探讨制备的减摩耐磨涂层摩擦磨损特征机理及影响涂层性能的因素。
2.实验方案
采用超音速等离子喷涂技术在尺寸为φ5mm×15mm的45#钢基体表面制备厚1mm左右的复合涂层。
超音速等离子喷涂设备采用上海大豪纳米喷涂材料有限公司生产的DH-2080超音速等离子喷涂系统,喷涂距离125mm,喷涂电压130V,喷涂电流350A,送粉电压10V,主气为Ar气,次气为H2。
在喷涂前先对基体表面进行除锈、除油、粗化处理,然后依次用丙酮、10%的盐酸溶液、酒精清洗工件表面。
喷涂时,将待喷基体试样夹持在三爪卡盘上,驱动试样匀速转动,同时进行超音速等离子喷涂制备涂层。
摩擦试验在MMW-1型万能摩擦磨损试验机上进行,采用低速销盘式摩擦副.设定摩擦时间和转速是15min和103r/min试验前分别将试样与对磨件用900号水砂纸打磨并用丙酮清洗,最终使对磨件表面平均粗糙度为0.1~O.2/um.待测试样尺寸为6mm×15mm;对磨件为304不锈钢,尺寸为54mm×10mm.将5个试样分别在100、200、300、420、540N的载荷下进行滑动干摩擦试验,摩擦系数的测定采用平均值法.将摩擦磨损实验机每隔10S自动采集到的摩擦系数进行汇总,并取其平均值作为该载荷下的摩擦系数.用TP-114电子天平称取试样磨损前后的质量,计算涂层的磨损量.用JSM-6700场发射真空电子扫描显微镜(SEM)观察磨损后涂层的表面形貌,研究涂层的摩擦磨损机理.采用EDS分析涂层主量元素在摩擦过程中的磨损情况。
四、主要参考文献:
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