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镁合金因密度小,比强度、比刚度高,导热导电性能与电磁屏蔽能力良好,易加工和回收等特点而被广泛地应用于汽车、电子、航空航天等现代工业中。然而,镁合金较差的耐磨损和耐腐蚀性能限制了其更广泛的应用。研究表明,在镁合金表面制备金属陶瓷复合涂层是提高其耐磨损和耐腐蚀性能的一种有效途径。Ti,Zr的硼化物和碳化物具有高硬度、高熔点、高温化学稳定性以及耐腐蚀等特点,是作为金属陶瓷复合涂层中陶瓷增强相极佳的材料。本研究通过采用大气等离子喷涂和反应等离子喷涂两种方法在MB26镁合金基底制备ZrB2-ZrC/Ni和TiB2-TiC-Al2O3/Al两种体系的金属陶瓷复合涂层,以提高镁合金的耐磨和耐腐蚀性能。大气等离子喷涂的复合材料粉末通过自蔓延高温合成反应制备,反应等离子喷涂的复合粉末通过喷雾造粒团聚制得。 选取Ni-Zr-B4C体系,通过自蔓延高温合成反应(SHS)制备了ZrB2-ZrC/Ni金属陶瓷复合材料,并且系统地对体系进行了热力学计算和动力学分析。理论上计算了Ni-Zr-B4C体系绝热温度(Tad),结果表明,当Ni含量不超过55.6%时,Tad≥1800K,燃烧反应才能够自发维持。探讨了体系在DSC中加热和手套箱中SHS反应的反应机制,得出两者反应形成ZrB2和ZrC的机制是相同的:首先,Ni与B4C以及Zr反应形成NixBy和NixZry,逐渐升温至NixBy的共晶温度后,形成Ni-B二元液相。继续升温导致部分Zr直接与B4C发生固-固反应,放出的大量热使体系迅速升温。达到NixZry的共晶温度后,形成Ni-Zr二元液相。当两种二元液相相互混合并溶入游离态的C后,形成Ni-Zr-B-C四元液相,液相中[Zr]、[B]、[C]反应大量析出ZrB2和ZrC。此外,研究了Ni含量和B4C粉粒度对Ni-Zr-B4C体系手套箱中SHS燃烧行为及产物的影响,发现Ni含量的增加和B4C粉粒度粒度的增大都会增加SHS反应的难度,降低产物生成率。 采用大气等离子喷涂(APS)由SHS制得的ZrB2-ZrC/Ni复合材料粉末成功在镁合金表面制备了不同Ni含量的ZrB2-ZrC/Ni金属陶瓷复合涂层。相组成分析结果表明涂层主要由ZrB2、ZrC及不同含量的Ni组成,此外涂层中还有些杂质相ZrO2。涂层与基体结合良好,不同程度的增加了镁合金耐磨损性能。随着Ni含量的增加,涂层与基体的结合强度逐渐增加,涂层的硬度和耐磨程度均呈现先增加后减小的趋势,其中Ni含量为30%的涂层具有最高的硬度和最好的耐磨损性能。 选取成本相对低廉的Al-TiO2-B4C体系,通过自蔓延高温合成反应制备了不同Al含量的TiB2-TiC-Al2O3/Al金属陶瓷复合材料粉末,采用大气等离子喷涂的方法将这一系列的粉末喷涂在镁合金基底上制得不同Al含量的TiB2-TiC-Al2O3/Al金属陶瓷复合涂层。对涂层的结构和性能进行表征测试,结果表明,涂层主要成分为TiB2、TiC、α-Al2O3、γ-Al2O3和Al,在喷涂过程中有部分α-Al2O3转变成γ-Al2O3。涂层与基体结合良好,随着Al含量的增加,结合强度逐渐增大,显微硬度逐渐减小。该体系的金属陶瓷复合涂层的耐磨损性能均优于镁合金基底,说明涂层能对基底起到抗磨损的保护作用。从磨损表面形貌可以看出磨损机理主要为切削和犁削磨粒磨损。此外,涂层的体积磨损率变化趋势受载荷影响较大。低载荷时,随涂层中Al含量的增加磨损率逐渐增加;高载荷时,随Al含量的增加,磨损率呈现先降低后增加的趋势。 采用反应等离子喷涂(RPS)的方法在MB26镁合金表面制备了TiB2-TiC-Al2O3/Al金属陶瓷复合涂层。相组成分析结果表明涂层主要由TiB2、TiC、Al2O3及不同含量的Al组成。涂层结构致密并与基体结合良好,不同程度的增加了镁合金耐磨损、耐腐蚀性能。随着Al含量的增加,涂层与基体的结合强度逐渐增加,涂层的硬度和耐磨损性能均呈现减小的趋势,而耐腐蚀性能呈现增加的趋势。通过比较采用两种方法制备TiB2-TiC-Al2O3/Al金属陶瓷复合涂层的性能结果可以发现,相比于SHS+APS方法制备的涂层的磨损性能,采用RPS方法制备的涂层耐磨损性能更好。