KMS Lanzhou Institute of Chemical Physics，Chinese Academy of Sciences
| 热喷涂氧化物陶瓷基涂层的制备及摩擦、气蚀性能的优化设计 | |
| Alternative Title | 无 |
| 邓雯 | |
| Thesis Advisor | 陈建敏 ; 周惠娣 |
| 2019-05-16 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 工学博士 |
| Department | 先进润滑与防护材料研究发展中心 |
| Degree Discipline | 材料学 |
| Keyword | 大气等离子喷涂 陶瓷涂层 摩擦学性能 气蚀性能 Atmospheric plasma spraying Ceramic coating Tribological properties Cavitation erosion properties |
| Abstract | 机械零部件的服役环境日益苛刻，提高机械部件的耐磨损、耐腐蚀和热防护等性能一直是材料表面工程领域的研究热点之一。热喷涂陶瓷涂层具有耐磨损、耐腐蚀、抗高温氧化等优异的性能，有着广泛的应用前景。但是热喷涂氧化物陶瓷涂层受其制备工艺和材料特性的限制，其涂层的室温摩擦不具润滑特性，且涂层的气蚀寿命有限。在摩擦工况下或有冲击力作用时，陶瓷容易产生裂纹，进而发生脆性剥落，最终失效缩短其使用寿命。本文以大气等离子喷涂技术为主，制备了氧化物陶瓷涂层，并通过水热反应和真空浸渍等后处理工艺在陶瓷涂层的孔隙中分别引入润滑相和高弹性的有机树脂，以期改善陶瓷涂层的室温自润滑性能和耐气蚀性能。主要研究内容和结果如下： 1.利用大气等离子喷涂技术制备了8YSZ涂层，研究了该涂层的物相组成、微观结构及力学性能，考察了其在不同摩擦配副下的摩擦磨损性能和摩擦机理。结果表明：8YSZ涂层与Al2O3球摩擦时，摩擦系数小而涂层的磨损率大；相反，与316L不锈钢球摩擦时，摩擦系数大而涂层的磨损率小，但是对偶球的磨损严重。减小摩擦配副的硬度差可以很大程度的降低磨损，提高磨损寿命。本试验为实际工程应用中选择最佳配副组合提供了理论和试验依据。 2.通过喷涂参数的调控、基材的预热和原料的选择成功制备了8YSZ/石墨复合涂层。研究了镍包石墨的引入以及基材温度的升高对涂层微观结构、硬度、韧性以及摩擦学性能的影响。结果表明：镍包石墨的加入使得8YSZ涂层的内部缺陷增多，涂层的硬度降低，虽然摩擦系数减小，但复合涂层的磨损率增大。基材预热后，8YSZ/石墨复合涂层的微观结构、硬度和韧性都得到显著改善，表现出更好的减摩抗磨能力，其磨损率相比于未预热的基材降低了约6倍。 3.利用水热反应在热喷涂陶瓷涂层的孔隙中原位合成MoS2润滑剂，研究了孔隙内润滑剂的合成对涂层微观结构、物相组成和摩擦磨损性能的影响，并探究了其摩擦润滑机理。结果表明：利用水热反应合成了纯度高且呈球形结构的MoS2粉末；受涂层孔隙空间的限制，涂层内合成的润滑剂并没有呈现出球状结构，而是呈花瓣状结构均匀地附着在涂层中孔隙的表面。8YSZ/MoS2复合涂层在大气环境下与不锈钢摩擦时表现出优异的摩擦磨损性能，其摩擦系数仅为0.12，远低于8YSZ涂层在同条件下的摩擦系数（~0.53），这主要归因于摩擦过程中磨痕表面MoS2润滑膜的形成。 4.利用水热反应在热喷涂8YSZ涂层的孔隙中原位合成C/MoS2复合润滑剂，研究了孔隙内复合润滑剂的合成对涂层微观结构、物相组成和摩擦磨损性能的影响，并探究了其复合润滑机理。结果表明：合成的C/MoS2复合润滑剂的纯度高，且均匀地附着在涂层中孔隙的表面，复合润滑剂的合成改善了涂层的致密性。8YSZ-C/MoS2复合涂层与陶瓷球摩擦时表现出优异的减摩抗磨能力，摩擦过程中在磨痕表面形成了C和MoS2的复合润滑膜，软质相MoS2起到降低剪切力的作用，可缓解润滑膜的内应力，同时硬质相碳起到承载作用，可降低磨粒磨损，显著改善了热喷涂陶瓷涂层的摩擦学性能。 5.借鉴“硬碰硬”的思想，通过基材温度的控制，制备了不同结构的8YSZ涂层。探究了基材温度对涂层微观结构、硬度、韧性等的影响，考察了相关涂层的抗气蚀性能以及涂层失效机理。结果表明：基材温度的升高可以改善涂层的微观结构，提高涂层的硬度、韧性和结合强度等。800℃基材温度下制备的8YSZ涂层的气蚀寿命是室温喷涂条件下的8倍多。基材温度的升高增加了涂层的硬度、韧性以及内聚强度，使涂层的抗气泡冲击能力增强，从而有助于提高涂层的抗气蚀性能。 6.借鉴“以柔克刚”的思想，采用真空浸渍的工艺将环氧树脂渗入到陶瓷涂层的孔隙中。研究了树脂的引入对涂层微观结构、力学性能以及抗气蚀性能的影响，并考察了复合涂层的气蚀失效机理。结果表明：树脂渗入到了陶瓷涂层几乎所有的孔隙中，相比于原始涂层，复合涂层的致密性、硬度、韧性和内聚强度等性能显著改善。复合涂层的气蚀寿命相比于原涂层提高了三倍多，这主要是由于气蚀过程中气泡在复合涂层试样表面分布均匀，而不至于集中到孔隙周围，造成孔隙周围被优先气蚀的现象发生；同时气蚀过程中，由于受树脂的影响，试验过程中产生的裂纹会发生偏折、转向和终止，同时涂层表面气泡溃灭产生的冲击力减小，从而提高了陶瓷涂层的抗气蚀能力。 |
| Other Abstract | 无 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/25260 |
| Collection | 中国科学院兰州化学物理研究所 |
| Affiliation | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 邓雯. 热喷涂氧化物陶瓷基涂层的制备及摩擦、气蚀性能的优化设计[D]. 北京. 中国科学院大学,2019. |
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