鈦合金表面激光-等離子體復(fù)合噴涂耐磨耐蝕涂層研究.pdf

1、現(xiàn)代航空工業(yè)的迅速發(fā)展，對于飛機(jī)整體質(zhì)量的穩(wěn)定性提出了更高要求，輕質(zhì)靈活、高性能、長壽命成為重要的追求目標(biāo)。鈦合金以其質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、抗腐蝕等優(yōu)異性能備受航空工業(yè)裝備的青睞，但鈦合金耐磨損性差的特點(diǎn)使其應(yīng)用受到一定局限。在鈦合金表面制備熱噴涂耐磨防護(hù)涂層是一種高效而靈活的提升構(gòu)件使用性能的方法，尤其適用于現(xiàn)役航空裝備的鈦合金構(gòu)件。然而熱噴涂涂層的結(jié)合力低和內(nèi)部組織間存在的孔隙裂紋一直是導(dǎo)致涂層剝落失效的主要原因，因此如何提升熱噴涂涂層的

2、結(jié)合力與組織致密性成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn);另外，隨著航空裝備性能要求越來越高，服役環(huán)境越來越苛刻，尤其海洋環(huán)境下的在役飛機(jī)、艦載機(jī)、預(yù)警機(jī)等裝備，它們對表面防護(hù)涂層的要求也日趨攀升，單一抗磨損涂層往往因不能抵抗海洋環(huán)境的腐蝕破壞而失效，從而徹底失去對構(gòu)件的保護(hù)作用。
　　本研究主要針對現(xiàn)代航空戰(zhàn)斗機(jī)鈦合金構(gòu)件（例如滑軌、起落架等所用的TC18材料）對耐磨耐蝕防護(hù)涂層的迫切需求，首先根據(jù)激光熱源與等離子熱源特性，對其復(fù)合方式

3、進(jìn)行原理設(shè)計(jì)與試驗(yàn)，構(gòu)建起最利于涂層沉積的復(fù)合熱源噴涂系統(tǒng);突破了熱源能量密度分布均勻性技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了熱源束流品質(zhì)優(yōu)化;并根據(jù)目標(biāo)涂層需求，以碳化物陶瓷為核心成分對噴涂材料進(jìn)行一系列優(yōu)化匹配，進(jìn)行高結(jié)合力耐磨耐蝕復(fù)合功能涂層的制備;借助高速攝像、X射線衍射(XRD)、光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、涂層拉伸試驗(yàn)、高溫摩擦磨損(SRV)、球盤式摩擦磨損、中性鹽霧腐蝕(NSS)等測試手段和方法對涂層沉積過程、成分、組織、性能進(jìn)行

4、測試分析;研究涂層組織結(jié)構(gòu)基本性能對于涂層耐磨耐蝕性能影響規(guī)律;研究激光-等離子體復(fù)合熱源噴涂工藝的沉積機(jī)理及涂層耐磨耐蝕失效機(jī)理，并與等離子噴涂工藝沉積機(jī)理及同種涂層失效機(jī)理進(jìn)行了對比研究。從而克服傳統(tǒng)熱噴涂涂層因結(jié)合力低、孔隙裂紋多易導(dǎo)致剝落失效的缺陷;克服鈦合金構(gòu)件表面?zhèn)鹘y(tǒng)熱噴涂單一功能的耐磨防護(hù)涂層常因環(huán)境腐蝕破壞而過早失效的問題;有效延長了防護(hù)涂層的服役壽命，可間接提升飛機(jī)的戰(zhàn)斗力和安全性。
　　通過對激光-等離子體復(fù)合

5、熱源噴涂WC-10Co4Cr涂層的沉積工藝過程和微觀組織結(jié)構(gòu)、結(jié)合界面成分等進(jìn)行測試，研究分析了復(fù)合熱源噴涂工藝的沉積機(jī)理。與傳統(tǒng)熱噴涂工藝相比，復(fù)合熱源噴涂工藝很好地實(shí)現(xiàn)了涂層的冶金結(jié)合，大幅提升了涂層結(jié)合力和組織致密性。在激光-等離子體復(fù)合熱源噴涂工藝過程中，激光熱源的加入發(fā)揮了兩個(gè)重要作用:(1)與等離子體焰流共同加熱噴涂粉末，使噴涂粒子（包括陶瓷粒子）熔融更充分;(2)加熱待噴涂表面形成微熔池。因此使得噴涂粒子與待噴涂表面間形成

6、液-液界面接觸，在等離子噴涂氣流的加速和霧化作用下，熔融態(tài)粒子與微熔待噴涂表面擴(kuò)散融合，很好地實(shí)現(xiàn)了涂層與基體間以及涂層內(nèi)部組織間的冶金結(jié)合(其中，涂層與基體成分在結(jié)合界面處相互融合擴(kuò)散的過渡區(qū)厚度為30～40μm)，突破了傳統(tǒng)熱噴涂涂層以機(jī)械結(jié)合為主的沉積方式，此工藝對于制備抗磨損抗腐蝕復(fù)合功能涂層更具優(yōu)勢。
　　通過NiCrCr3C2與NiCrAlY粉末不同比例的復(fù)合，分別利用等離子噴涂工藝和激光-等離子體復(fù)合熱源噴涂兩種工藝

7、，針對TC18鈦合金基體進(jìn)行耐磨耐蝕涂層優(yōu)化制備與研究。當(dāng)NiCrCr3C2和NiCrAlY兩種粉末的重量百分比為40∶60時(shí)，涂層的綜合性能達(dá)到一個(gè)優(yōu)異水平。其中，復(fù)合噴涂涂層很好地實(shí)現(xiàn)了冶金結(jié)合，在組織致密性(孔隙率≤0.5％)、結(jié)合力（達(dá)到200MPa以上）、均勻性、耐磨耐蝕性能上都較傳統(tǒng)的等離子噴涂涂層有了較大提升。
　　利用激光-等離子體復(fù)合熱源噴涂工藝制備了40％TiC-60％NiCrAlY耐磨耐蝕涂層，涂層表現(xiàn)出非常

8、優(yōu)異的抗磨損抗腐蝕性能。當(dāng)CeO2添加后，它有效改善了涂層的致密性和組織均勻性，從而使涂層抗磨損抗腐蝕性能得到更進(jìn)一步提高，尤其當(dāng)CeO2添加量為0.8％時(shí)，涂層綜合性能最優(yōu)。
　　研究結(jié)果顯示，三種碳化物陶瓷材料相比，TiC較WC與Cr3C2具備更好的復(fù)合熱源噴涂適應(yīng)性，這是由于TiC為面心立方結(jié)構(gòu)，具有很高的相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和較低的反應(yīng)自由能，其高溫穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性明顯優(yōu)于WC與Cr3C2。在激光-等離子體復(fù)合熱源噴涂沉積過程中

9、，噴涂粒子要受到來自等離子體熱源與激光熱源的雙重加熱作用時(shí)，TiC可較其他兩種粉末保持更好的復(fù)合噴涂適應(yīng)性，同時(shí)良好的化學(xué)穩(wěn)定性又為其優(yōu)異的抗腐蝕性能提供了保障。因此在復(fù)合熱源噴涂的三類涂層中，含有TiC涂層的抗磨損抗腐蝕性能最優(yōu)。
　　綜上所述，本研究自主構(gòu)建起了激光-等離子體復(fù)合熱源噴涂系統(tǒng)，驗(yàn)證了本工藝可很好地實(shí)現(xiàn)涂層的冶金結(jié)合，與傳統(tǒng)等離子噴涂工藝相比，大幅提升了涂層組織致密性和結(jié)合力;利用激光-等離子體復(fù)合熱源噴涂工藝所