几种热喷涂氧化物陶瓷涂层的制备及其性能研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 李双建
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| 答辩日期 | 2018-11-23 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 陈建敏 ; 周惠娣 |
| 关键词 | 大气等离子喷涂 莫来石 YSZ 摩擦学性能 热防护 Atmosphere plasma spray Mullite YSZ Tribological properties Thermal protection |
| 学位名称 | 工学博士 |
| 学位专业 | 材料学 |
| 其他题名 | 无 |
| 英文摘要 | 机械零部件面临着日益复杂苛刻的使役环境，迫切需要提高机械部件的耐磨、抗腐蚀和热防护等性能。热喷涂氧化物陶瓷涂层具有耐高温、耐腐蚀、抗氧化、耐磨损、高强度、高模量、低密度等优异的性能，具有广泛的应用前景。本论文以大气等离子喷涂技术为主，制备了多种氧化物陶瓷涂层体系，考察了喷涂参数、基材温度、第二相的加入等对涂层的微观组织、物相组成和力学性能的影响，在此基础上进一步研究了多种涂层的摩擦学性能和摩擦机理以及热防护性能和失效机制。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莫来石涂层。研究了该涂层的微观结构、物相组成、力学性能，考察了其在大气、水和盐酸溶液介质中的摩擦学性能和摩擦机理。结果表明，莫来石涂层具有良好的耐腐蚀磨损性能，得益于Si3N4对偶球部分水解生成的硅溶胶边界润滑膜和流体润滑膜的存在，该涂层/Si3N4配副在盐酸溶液中具有较低的摩擦系数（~0.1），且涂层磨损率显著低于去离子水中的磨损率。 2.研究了基材温度对莫来石涂层的物相组成和力学性能的影响，考察了涂层的耐静态腐蚀能力和抗腐蚀磨损性能。研究结果表明，基材温度的提高，减慢了熔融液滴凝固的速率，提高了莫来石涂层的结晶度。熔融液滴良好的铺展性极大地改善了涂层的微观结构和内聚强度。得益于涂层孔隙率的降低和结晶度的提高，在基材温度为700℃时所沉积的涂层，具有最好的耐腐蚀性能。同时，由于其优异的耐腐蚀性能、高的硬度和结合强度，其具有最低的磨损率。 3.通过喷涂参数的调控和原料的选择成功制备了莫来石/镍-石墨复合涂层。研究了镍和石墨的加入对复合涂层的微观结构、硬度以及摩擦学性能的影响。研究结果表明，镍和石墨的加入能够减少莫来石涂层的内部缺陷、改善微观结构，且没有明显降低涂层的显微硬度。在复合涂层中，莫来石作为承载相有利于维持润滑膜的稳定性，减小其磨损率。石墨的加入不仅可以降低涂层的摩擦系数，减小其磨损率，还能够有效地减轻对摩擦副的损伤。 4．通过对基材温度的控制，成功地制备了不同结构的氧化钇稳定氧化锆（YSZ）涂层。研究了基材温度对于涂层的微观结构、力学性能和残余应力的影响，考察了涂层的摩擦学性能和耐高温性能，探究了其摩擦学机理。研究结果表面，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、韧性和结合强度等力学性能。同时，基材温度对于YSZ涂层内残余应力的方向和大小有着重大的影响。基材温度的改变可以使YSZ涂层的摩擦系数由0.68降低至0.39。此外，摩擦界面转移膜的形成使YSZ涂层的磨损率由1.05×10-3mm3•N-1m-1降低至1.64×10-7mm3•N-1m-1。而且，基材温度的提升有助于增强YSZ涂层的抗烧结性能。然而涂层微观结构的改善并不能有效地抑制热生长氧化物（TGO）层的生长。 5.通过热喷涂、激光织构和真空浸渍等工艺的复合，得到了一种智能复合涂层。研究了该涂层的微观结构，考察了其在不同载荷和速度下的摩擦学性能，揭示了其摩擦学机理。研究结果表明，该涂层在超长时间的摩擦过程中始终保持着较低的摩擦系数（<0.065）。并且，该复合涂层在不同的速度和载荷下均保持优异的润滑性能。该复合涂层在整个摩擦测试过程中保持着近零质量损失的特性。此外，该复合涂层对对偶材料的损伤极其轻微。当润滑膜一旦受到破坏，该复合涂层会借助摩擦热和摩擦力为驱动力和修复力进行自我修复。 6.对莫来石和莫来石/氧化锆复合涂层的热学、力学性能和耐热冲击循环性能进行了试验研究。研究结果表明，通过大气等离子喷涂技术制备的三种涂层均含有大量的非晶成份。对于纯莫来石涂层而言，其非晶转变温度约为980℃；而氧化锆的加入可以改变复合涂层中非晶态莫来石的再结晶行为。随着氧化锆的加入，复合涂层的硬度和弹性模量值大幅增加。经热处理后，其硬度和弹性模量值进一步增加。与此同时，热处理后结晶态复合涂层的热膨胀系数随着氧化锆的加入而增大，从而极大地缓解了因陶瓷面层与YSZ过渡层之间因热膨胀系数的不匹配而产生的较大残余热应力。莫来石和莫来石/氧化锆复合涂层在50~1200℃范围内，其导热率为0.9~2.8W•m-1•k-1，说明该类涂层具有良好的隔热性能。 |
| 源URL | [http://ir.licp.cn/handle/362003/25251]  |
| 专题 | 中国科学院兰州化学物理研究所 |
| 作者单位 | 1.中国科学院大学 2.中国科学院兰州化学物理研究所; |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 李双建. 几种热喷涂氧化物陶瓷涂层的制备及其性能研究[D]. 北京. 中国科学院大学. 2018. |
入库方式： OAI收割
来源：兰州化学物理研究所
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