腐蚀环境中NiCrWMoCuCBFe涂层的摩擦 /气蚀性能研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 王怡静 |
| 答辩日期 | 2022-05-20 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 安宇龙,周惠娣 |
| 关键词 | NiCrWMoCuCBFe涂层，超音速火焰喷涂，高温摩擦，腐蚀磨损，气蚀 |
| 学位名称 | 工学博士 |
| 学位专业 | 材料学 |
| 其他题名 | 无 |
| 英文摘要 | 高新装备机械系统日益复杂的服役环境及其对使役稳定性能的高要求，使金 属零部件在工作时不仅需要具备良好的耐腐蚀性能，还应在高温/腐蚀环境中拥 有稳定的机械力学和摩擦学性能。NiCrWMoCuCBFe 涂层不但具有优异的高温抗 氧化性能，而且 W、Mo、Cu 等元素的添加赋予其更好的耐腐蚀性能。腐蚀环境 中金属部件的损伤和失效主要由表面开始，因此采用超音速火焰喷涂（HVOF） 技术制备 NiCrWMoCuCBFe 涂层，可以对金属部件表面进行有效防护。研究工 作详细表征了 NiCrWMoCuCBFe 涂层的微观结构、物相组成、力学性能和涂基 结合强度等内容，考察了涂层在高温下的组织结构稳定性和力学性能变化；研究 了在宽温域（室温 ~ 800℃）及腐蚀性介质（不同 pH 值溶液）中，涂层的组织 结构、力学性能演变及其对摩擦磨损性能的影响；揭示了在（高温）腐蚀-磨损协 同作用下，涂层摩擦行为的变化规律及其具体的摩擦机制，阐述了磨损与腐蚀交 互作用下涂层的损伤机理；系统研究了 NiCrWMoCuCBFe 涂层在去离子水及人 工海水介质中的耐气蚀性能，分析了影响涂层耐气蚀性能的关键因素，揭示了气 蚀损伤过程中涂层的失效机理。研究内容为 NiCrWMoCuCBFe 涂层在多工况耦 合环境中的应用提供了详实的科学数据和理论指导。论文主要研究结果如下： 1. 采用 HVOF 技术制备的 NiCrWMoCuCBFe 涂层孔隙率低，层间结合强度 高，元素和物相分布均匀。涂层与基材的结合强度高于 70 MPa，抗弯强度为 1.87 ± 0.02 GPa，表面显微硬度值达到了 674.34 ± 46.53 HV0.3；且随着沉积厚度的变 化，涂层截面硬度值没有明显不同。喷涂过程中，粉末颗粒高速撞击在基材与前 序涂层表面导致涂层内出现部分非晶、不完整晶粒并产生晶格畸变。在高温热处 理过程中，涂层始终保持着优异的高温稳定性；同时，热处理过程使涂层内的非 晶和不完整晶粒再结晶或者晶粒长大，进而改善涂层的力学性能。 2. 针对 NiCrWMoCuCBFe 涂层在高温摩擦过程中组织结构和物相的演变规 律，分析了高温釉质层的生成过程及其减摩耐磨性能。在 600℃及 800℃高温环 境下摩擦后，涂层磨痕表面生成了 NiO、Cr2O3 以及 MoO3 等多种硬质氧化物， 腐蚀环境中 NiCrWMoCuCBFe 涂层的摩擦/气蚀性能研究 II 这些氧化物在摩擦过程中能稳定存在于磨痕表面，使磨痕表面的硬度和弹性模量 明显提高。由于摩擦热和环境热（> 600℃）的共同作用，涂层表面原位生成具有 三层结构的摩擦“釉质层”。该“釉质层”的外层为高硬度非晶和氧化物颗粒， 亚层是具有易层间滑移结构的 NiCr2O4 氧化膜，内层是 NiO 和 Cr2O3 的纳米晶 粒，这一特殊结构“釉质层”的形成，赋予涂层表面良好的力学性能，尤其在 800℃ 下高温摩擦后，涂层显现出最小的摩擦系数和最低的磨损率。 3. 重点分析了 NiCrWMoCuCBFe 涂层在不同 pH 值溶液中（0.1 mol/L HCl、 0.1 mol/L NaCl 和 0.1 mol/L NaOH 溶液）腐蚀产物的生成和组织结构演变对其摩 擦学性能的影响。所形成的腐蚀产物层致密且具有高硬度和良好的润滑作用，这 不仅可以改善涂层的力学性能，还可减小涂层的摩擦系数、降低其磨损率。在摩 擦剪切力的反复作用下，涂层磨痕表面不断出现裂纹，腐蚀产物层被破坏。磨痕 表面腐蚀产物的生成与剥落达到动态平衡时，涂层表现出较稳定的摩擦腐蚀性 能。涂层在 HCl 溶液中的腐蚀溶解速率较高，容易生成腐蚀产物，但是其腐蚀形 式以局部腐蚀为主。因此，涂层在 HCl 溶液中摩擦后，磨痕表面仍然具有优异的 力学性能和摩擦磨损特性，这使得涂层表现出最低的磨损率和最小的摩擦系数。 4. 系统研究了 NiCrWMoCuCBFe 涂层在人工海水和去离子水中的耐气蚀性 能，重点分析了涂层在人工海水中的“气蚀-腐蚀”耦合损伤机理。在气蚀过程 中，涂层中的原有缺陷会率先萌生裂纹。长期的气蚀过程中，裂纹不断扩展使涂 层以片状剥落形式失效。由于人工海水的腐蚀作用，涂层气蚀区域表面生成多种 纳米颗粒物。这些纳米颗粒物填充在由于气蚀破坏导致的微裂纹中时，不仅减缓 了涂层的气蚀破坏速率，而且进一步改善了涂层的耐海水腐蚀性能。结果表明， 该涂层优异的力学性能和耐海水腐蚀特性使其在长期的气蚀过程中（20 h）表现 出比 316L 不锈钢更优异的耐气蚀性能。 |
| 页码 | 135 |
| 源URL | [http://ir.licp.cn/handle/362003/30082]  |
| 专题 | 兰州化学物理研究所_先进润滑与防护材料研究发展中心 |
| 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 | 王怡静. 腐蚀环境中NiCrWMoCuCBFe涂层的摩擦 /气蚀性能研究[D]. 北京. 中国科学院大学. 2022. |
入库方式： OAI收割
来源：兰州化学物理研究所
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