爆炸喷涂Fe基非晶涂层摩擦磨损机理研究

来源 :兰州理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yuxinliuyun
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Fe基非晶合金因其高硬度/高强度、优异的耐磨和耐腐蚀性能以及相对低廉的成本而成为极具潜力的工程候选材料。然而,有限的冷却速率使得Fe基非晶合金仅限于粉末状、带状及有限形状和尺寸的块体。此外,块体Fe基非晶合金在室温下的高局域剪切带和不均匀剪切变形行为,使其在室温下呈脆性断裂特性,严重限制了其工业应用。而利用热喷涂技术将Fe基非晶合金制备成涂层,不仅能够实现其在大尺寸工件上的应用,而且能够有效改善其室温脆性。本论文基于Fe基非晶合金优异的耐磨性能,以爆炸喷涂技术制备的Fe基非晶涂层为研究目标,利用差示扫描量热仪(DSC)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、维氏显微硬度计、纳米压痕仪和摩擦实验机等设备以及低温热循环处理工艺,研究了原始涂层、低温热循环处理涂层和粉末经低温热循环处理后所制备涂层的摩擦学性能。具体内容包括以下三个方面:采用爆炸喷涂技术在9Ni钢基体上制备了Fe基非晶涂层。以Si3N4小球为对磨副,研究了Fe基非晶涂层在干摩擦条件下的摩擦磨损行为。结果表明,爆炸喷涂制备的Fe基非晶涂层很好地保留了原始粉末中的非晶相,未发生明显晶化现象;涂层厚度、孔隙率和表面硬度分别为200±30μm、1.0%和822±10Hv0.1;涂层耐磨性能优异,磨损率为(2.7416.30)×10-6 mm3N-1m-1。因摩擦闪温所致磨痕氧化和晶化的影响,涂层摩擦系数与磨损率对滑动速度比载荷更加敏感,随着滑动速度由低(0.1 m/s)到高(1.0 m/s),摩擦系数呈现先增后减的趋势,磨损率则呈相反趋势。此外,随着滑动速度的增加,涂层磨损机制由氧化磨损向疲劳剥层磨损发生转变。利用低温热循环工艺(-196℃-25℃),处理了三种不同工艺参数下制备的Fe基非晶涂层。低温热循环次数为60次,每间隔10次取出相应样品。研究了低温热循环处理工艺对涂层微观组织、力学性能以及摩擦学性能的影响。结果表明,经60次低温热循环后,孔隙较高的涂层(2.1%和1.0%)未有或仅有极少数裂纹出现,而低孔隙(0.4%)涂层出现了相互联通的网状裂纹;硬度分布均匀性以30次循环为转折,随循环次数的增加呈现先增加后稳定的趋势;塑性功Wp随循环次数的增加而持续缓慢增加,弹性因子H/E和塑性因子H3/E2在50次循环前也逐渐增加,但当循环达到60后,弹/塑性因子均有所降低;涂层摩擦系数和磨损率随处理次数的增加呈现先增后减再增的趋势,50次循环后的样品摩擦系数(0.60)和磨损率(0.56×10-5 mm3N-1m-1)最低。利用低温热循环工艺(-196℃-25℃)处理Fe基非晶粉末,采用爆炸喷涂技术制备原始粉末和粉末经处理后的涂层。研究了低温热循环处理Fe基非晶粉末对其对应涂层组织和摩擦学性能的影响。结果表明,粉末经低温热循环处理后仍为非晶态组织,且未发生开裂和破碎现象。与原始粉末制备的涂层相比,低温热循环处理粉末制备的涂层孔隙率由1.0%降低至0.4%;未熔颗粒明显减少,粉末铺展更加充分;显微硬度略有降低(由845.4 Hv0.1降至813.5 Hv0.1),但测试误差明显减小,威布尔分布拟合直线斜率由7.1196升高至9.6414;摩擦系数由0.76降低至0.73,且更加稳定;涂层磨损率相近,均在10-6次方数量级。磨损机制由原始粉末制备涂层的疲劳剥层磨损转变为以氧化磨损和塑性变形主导。
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