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水环境下几种典型等离子喷涂涂层摩擦学性能研究

【摘要】:水环境中运行的许多机械,如水泵的泵轴等常因磨损而提前失效,通过表面处理技术在易磨损部件的表面制备耐磨涂层已经被证明能有效提高其服役寿命。本论文采用等离子喷涂技术在316L不锈钢基体上制备了Al_2O_3-TiO_2、NiCrBSi(Ni60AA)、WC/NiCrBSi(WC含量30wt.%,标记为30WC)涂层,并对NiCrBSi、WC/NiCrBSi涂层进行高温热处理(依次标记为Ni60AAT,30WCT),在实验室条件下研究了Al_2O_3-TiO_2、NiCrBSi、WC/NiCrBSi及热处理后的NiCrBSi、WC/NiCrBSi涂层在空气和去离子水环境下的摩擦磨损性能和失效机制,同时结合涂层微观结构、力学性能如硬度等将涂层的摩擦磨损机理做了较深层次的研究,并得到如下结果:1.等离子喷涂法制备的Al_2O_3-xTiO_2(x=0%,3%,13%,20%,40%,且依次标记为涂层A,AT3,AT14,AT20,AT40)涂层与基体结合良好,涂层厚度在100~200μm之间。随氧化钛含量的增加,涂层主要相结构由γ-Al_2O_3相向Al_2TiO_5相过渡;涂层显微硬度由纯Al_2O_3涂层的1274.4Hv_(0.5)逐渐减小到AT40涂层的708.9Hv_(0.5);Al_2O_3-TiO_2复合涂层的孔隙率随氧化钛含量的增加渐渐减小。2.大气环境条件下,AT3涂层表现出最佳减磨性和耐磨性,摩擦因数为0.55,体积磨损率为5.16×10~(-6)mm~3·N~(-1)m~(-1)。Al_2O_3、AT3涂层发生应力疲劳磨损;而AT13、AT20、AT40涂层发生应变疲劳磨损。水环境条件下,Al_2O_3涂层表现出最佳减磨性,摩擦因数为0.34,AT20涂层表现出最佳耐磨性,磨损率为3.53×10~(-6)mm~3·N~(-1)m~(-1)。水环境下五种复合陶瓷涂层都发生应力疲劳磨损;3.Ni60AA涂层主要由γ-Ni、CrB、Cr_7C_3和Cr_(23)C_6相组成,而经过980℃保温20min高温处理后的Ni60AA涂层的硬质析出相主要由Cr_(23)C_6组成,且涂层内部层状堆积机构消失。热处理后的Ni60AAT和30WCT涂层比热处理前相应涂层硬度提高,孔隙率降低。4.热处理后的涂层比热处理前相应涂层耐磨性得到提升,两种环境下,30WCT涂层都表现出最佳耐磨性。大气环境条件下,与GCr15对磨时,Ni60AA和30WC涂层主要发生疲劳磨损,热处理后的Ni60AAT和30WCT涂层主要发生粘着磨损;与Si_3N_4小球配对时,四种涂层的磨损机制主要为发生疲劳磨损。水环境下,与GCr15对磨时,Ni60AA和30WC涂层发生疲劳磨损,而Ni60AAT和30WCT涂层主要发生轻微粘着磨损;与Si_3N_4小球配对时Ni60AA涂层的磨损机制主要为发生疲劳磨损,30WC涂层磨损主要是以WC颗粒层的疲劳剥落为主;而30WCT和Ni60AAT涂层主要发生粘着磨损。

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