Al-Cu-Fe-Cr复合涂层耐磨耐蚀研究

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准晶材料(Quasicrystal,简写QC)具备的低表面能、高硬度、低摩擦因数、耐腐蚀、耐磨损等特性,使其在不粘涂层领域有较好应用前景。准晶涂层的制备方法有爆炸喷涂、超音速火焰喷涂、等离子喷涂和激光熔覆等。其中,等离子喷涂工艺相对简单,但该方法制备的涂层孔隙率不易控制,涂层组织呈层状堆垛结构,且涂层质量在喷涂过程中易受多因素工艺影响。故本文在准晶涂层中分别添加TiC、SiO2、Ti3SiC2三种微纳米粒颗制备准晶复合涂层,拟解决准晶涂层孔隙率问题,获得综合性能优异的涂层。主要研究内容和结论如下:(1)制备并对比了TiC/QC、SiO2/QC、Ti3SiC2/QC三种复合涂层的物相与孔隙率。结果表明,SiO2/QC和Ti3SiC2/QC复合涂层中生成了Al4Si新相,加剧了Al元素的耗损,涂层成分偏离准晶相成分范围,此两种复合涂层的准晶相含量比TiC/QC复合涂层低,而TiC/QC复合涂层孔隙率比另两种复合涂层低,所以选定TiC/QC复合涂层,深入讨论工艺参数对TiC/QC复合涂层综合性能影响。(2)针对性能良好的TiC/QC复合涂层,设计正交试验,研究喷涂电压、喷涂电流、喷涂距离、喷枪移速等参数对复合涂层组织性能的影响。结果表明,增大喷涂电压和喷涂电流会提高喷涂的功率,导致Al元素烧损加剧,涂层成分愈偏离准晶相成分范围,涂层准晶相含量愈少。但增大喷涂功率尤其是增大喷涂电压不仅能提高等离子焰流的热焓值,提高粉末熔融程度,还能增加飞行粒子动能,减小涂层孔隙率;减小喷涂距离能减少飞行粒子在空中损失的热量,延长熔融粒子凝固时间,减小涂层孔隙率;增大喷枪移速能减小每次喷涂的厚度,降低涂层孔隙率。各工艺参数对TiC/QC复合涂层综合性能影响依次为:喷涂电压>喷涂电流>喷枪移速>喷涂距离。涂层综合性能最优喷涂工艺参数为:喷涂电压65 V、喷涂电流500 A、喷枪移速700 mm/s、喷涂距离100 mm。(3)选择TiC/QC复合涂层中孔隙率最高和孔隙率最低的两组工艺参数的涂层,进行700°C、1 h的真空退火处理。结果表明,退火后两组涂层的主相都由二十面体准晶i相转变为Al65Cu20Fe10Cr5相,生成了B2-Al Fe相。与低孔隙率涂层比,高孔隙率涂层的喷涂功率小,Al元素烧损更少,退火后高孔隙率涂层生成的Al65Cu20Fe10Cr5相含量比低孔隙率涂层高。TiC主要和涂层孔隙中残余的氧气反应生成金红石型TiO2和TiO,反应带来的体积增生填补了涂层孔隙,高孔隙率涂层内残余的氧气含量高,故退火对高孔隙率涂层的孔隙有显著改善,对低孔隙率涂层的孔隙无显著改善。退火可显著提升涂层耐蚀性和耐磨性,自腐蚀电位提高至-0.683 V,自腐蚀电流密度降低至2.01′10-5A/cm~2,磨损率降低至1.69′10-5mm~3/(N×m)。
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