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超音速电弧喷涂耐磨抗蚀铁基涂层的制备和性能研究

【摘要】:本文采用超音速电弧喷涂技术,通过选用302A丝材、高铬丝材和碳化铬丝材三种铁基包芯丝材,在20钢基体表面制备了302A、高铬和碳化铬三种铁基涂层。通过扫描电镜(SEM)对三种涂层的原始表面形貌,抛光后表面形貌以及截面形貌进行表征,并利用扫描电镜附带的能谱仪(EDX)对涂层中成分及成分分布进行检测。利用X射线衍射仪对涂层的组织结构进行了测试。同时利用显微硬度计,摩擦磨损试验机,电化学工作站,箱式电阻炉等仪器设备对三种涂层的硬度,耐磨损性能,耐电化学腐蚀性能,耐高温氧化性能和耐热震性能进行了测试,并且对三种涂层的耐磨性能,耐蚀性能,抗氧化性能进行了比较分析以及机理讨论。 对涂层SEM图片观察发现三种涂层的组织结构均匀致密,涂层呈现明显的层片状结构分布,涂层中大部分粒子的变形充分,通过撞击形成扁平状结构然后互相熔融形成层状机构,只有少部分粒子未充分变形,涂层无明显缺陷存在,虽然在涂层截面可以观察到孔隙的存在,但测试表明涂层的孔隙率均不高于8%,孔隙大部分分布在层片状结构的交替处或是未变形粒子的周围。 对涂层截面上多点显微硬度值的计算结果表明,302A涂层具有最高的硬度,平均硬度值约为基体平均硬度值硬度值的5倍,碳化铬涂层平均硬度约为基体平均硬度值的4倍,高铬涂层评价硬度为基体的两倍左右。 涂层在润滑条件下环块磨损试验10小时之后摩擦磨损试验结果表明,302A涂层的耐磨性能最佳,失重为基体失重的10~19%;碳化铬涂层次之,失重为基体失重的14~20%;高铬涂层的耐磨性最差,相当于基体失重值的28~33%,但三种涂层与基体相比,均有明显提高。三种涂层磨损机理均以磨粒磨损为主,其中302A涂层以微观切削磨粒磨损和疲劳塑性断裂为主,高铬涂层以严重犁沟磨粒磨损为主,伴随少量粘着磨损,碳化铬涂层以微观切削磨粒磨损为主。 三种涂层在模拟海水环境中极化曲线测试结果为302A涂层的耐电化学腐蚀性能与基体接近,高铬涂层的耐电化学腐蚀性能最优,碳化铬涂层的耐电化学腐蚀性能也优于基体。高铬涂层中较高的铬含量提高了高铬涂层的自腐蚀电位,由基体的-0.65V提高到-0.58V,而碳化铬涂层中铬和碳化铬以及镍元素的存在,也在一定程度上提高了碳化铬涂层的自腐蚀电位,使得碳化铬涂层的自腐蚀电位由基体的-0.65V提高到-0.61V,302A涂层与基体拥有相接近的自腐蚀电位。 研究了三种涂层在600℃保温120小时的氧化特性。试验结果表明三种涂层均有效的提高了基体的耐高温氧化性能,其中302A涂层和碳化铬涂层的耐高温氧化性能比高铬涂层的耐高温氧化性能更佳。三种涂层表明的氧化膜生成形式均是以选择性氧化优先生成部分氧化膜为主,然后氧化膜逐渐向表面其他区域延伸。 涂层的600℃和800℃热震结果表明施加打底层的涂层比未施加打底层的涂层具有更加优良的抗热震性能。而三种涂层中302A涂层的抗热震性能最佳,高铬涂层次之,碳化铬涂层次之,从侧面说明了302A涂层的结合力最高,高铬涂层次之,碳化铬涂层结合力稍差。

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