PVD法制备的TiAlN/Al_2O_3复合涂层氧化铝陶瓷刀具切削性能研究

在刀具表面沉积一层硬质、耐磨涂层,可有效提高刀具切削性能。目前刀具涂层的研究主要侧重于氮化物、碳化物等硬质涂层(基体为硬质合金),氧化物涂层(基体为陶瓷)仍未有突破性进展。文章涉及陶瓷基体表面的氮化物和氧化物涂层制备及切削性能研究。采用阴极电弧蒸发镀技术(PVD-CAE)和PEM辅助PVD工艺在氧化铝陶瓷刀具表面制备TiAlN硬质耐磨涂层(中间层)和Al_2O_3抗高温氧化涂层(外层)。采用扫描电子显微镜(SEM)和EDS线扫法分析涂层微观结构和元素成分变化,通过显微硬度计表征涂层表面硬度。通过连续干切削灰铸铁试验研究TiAlN/Al_2O_3涂层的切削寿命、磨损机理和加工表面质量。结果表明:该复合涂层具有细晶致密的微观结构;TiAlN硬质层可将刀具表面硬度提升至2781±19HV_(50g),从而提高了刀具耐磨性;连续干切削灰铸铁试验中,无涂层氧化铝刀具发生崩刃破损,而TiAlN/Al_2O_3涂层刀具主要发生磨粒磨损和少量的粘结磨损,无崩刃现象;PVD法制备的TiAlN/Al_2O_3涂层刀具寿命是常规无涂层氧化铝刀具的2倍以上,且加工表面质量优良而稳定。

等离子喷涂纳米Al_2O_3/TiO_2涂层耐磨性的研究

采用液相喷雾造粒的方法将纳米粒子团聚成微米级颗粒,并利用等离子喷涂技术制备出了含有纳米结构的陶瓷涂层。在MM200型环块磨损试验机上进行了常温干摩擦试验,比较了纳米结构涂层和传统陶瓷涂层的耐磨损性能,利用扫描电镜观察了磨损后的磨痕形貌。结果表明,纳米涂层的耐磨损性能明显好于传统陶瓷涂层,且随着磨损载荷的增大,纳米涂层和传统涂层的磨损机制的变化是不同的。传统涂层的磨损机理主要是微裂纹和颗粒的剥落,而相同条件下纳米涂层则由于涂层韧性的提高,几乎不存在微裂纹,主要表现为涂层的局部剥落和粘着。

喷涂参数对Al_2O_3-13wt% TiO_2纳米涂层组织和性能的影响

研究了等离子喷涂特征参数(CPSP)对Al2O3-13wt%TiO2纳米涂层相组成、微观组织和性能的影响。结果表明,纳米涂层含有α-Al2O3、γ-Al2O3和金红石结构TiO2,其微观组织由全熔柱状晶区域和纳米结构的部分熔化区域组成。部分熔化区形貌与CPSP有关,低CPSP时主要为球状和部分条状,高CPSP条件下基本上都是不规则条状或块状。随CPSP增加,纳米涂层的结构缺陷减少,致密度提高。不同CPSP获得的纳米涂层的显微硬度和韧性均高于传统涂层,但CPSP过低或过高时,涂层中结构缺陷或结晶相较多,导致硬度和韧性降低。纳米涂层的耐磨性也随CPSP的变化而改变,并与涂层的组织、硬度和韧性的变化相对应。

等离子喷涂纳米Al_2O_3-13%TiO_2涂层组织与性能

采用大气等离子喷涂方法制备了纳米结构Al_2O_3-13%TiO_2(质量分数,下同)涂层,进行了SRV滑动磨损试验,通过扫描电镜对涂层的断口显微组织及磨损表面形貌进行了观察,并测定了涂层的显微硬度。结果表明,该纳米涂层具有独特的显微组织结构特征,层片间具有冶金结合特征的界面较多,界面结合得到明显改善,其显微硬度明显高于微米涂层,具有优良的耐磨性能,其磨损面积仅为常规微米涂层的1/5,界面结合改善是耐磨性提高的主要原因。

大气等离子喷涂Al_2O_3-3%TiO_2涂层的性能

分别采用大气等离子喷涂APS和带延长Laval喷嘴的大气等离子喷涂制备了Al2O3-3%TiO2涂层,对涂层的相组成、显微结构、结合强度、显微硬度等进行了评价,并和常规大气等离子喷涂氧化铝涂层的性能进行了对比,根据粒子在焰流中的特征对涂层性能差异进行了讨论。结果表明,两种Al2O3-3%TiO2涂层均以γ-Al2O3为主,其中还含有少量的α-Al2O3和微晶或非晶。带Laval喷嘴APS所制备涂层的孔隙率、显微硬度和结合强度均明显劣于普通APS涂层,但前者涂层的沉积率达到70%,明显高于后者,大大降低了涂层的生成成本。粒子特征分析表明,延长的Laval喷嘴降低了粒子在等离子焰流中的速度,延长了粒子在焰流中的停留时间,从而使涂层的结合强度和致密度降低,而使涂层沉积率有明显升高。

等离子喷涂Al_2O_3/TiO_2纳米复合涂层的制备、结构及摩擦学性能

采用喷雾干燥法对溶胶-凝胶法合成的系列A l2O3/TiO2纳米复合粉体进行造粒,使用等离子喷涂技术制备系列A l2O3/TiO2纳米复合涂层.对涂层结构和形貌分析表明所制备的A l2O3/TiO2纳米复合涂层形成了具有熔融区和半熔融区的双区形态的纳米复合结构.使用UMT-2MT试验机研究了复合涂层的摩擦磨损性能,结果表明复合涂层的磨损率随TiO2含量的增加表现出先降低而后增大的趋势,TiO2质量百分数为10%的纳米复合涂层的磨损率最低;而涂层的摩擦系数随TiO2含量的增加变化不大.复合涂层的磨损机制为裂纹扩展导致的磨损剥落.

超音速等离子喷涂工艺对纳米Al_2O_3-13%TiO_2涂层的影响

采用四因素三水平正交试验,通过显微硬度和孔隙率两项指标的评估,对超音速等离子喷涂电流、电压、Ar气流量和喷涂距离4个工艺参数进行了优化设计。结果表明,4个因素对纳米Al2O3-13%TiO2涂层综合性能的影响主次顺序是:喷涂电压、Ar气流量、喷涂距离、喷涂电流,并最终确定了最优的喷涂参数。利用XRD、SEM等手段分析了纳米Al2O3-13%TiO2复合粉末和涂层的相结构和微观结构,采用显微硬度计和图像处理方法测定了涂层的显微硬度和孔隙率。最优工艺参数制备的涂层显微硬度值1208 HV,孔隙率为2.26%,拉伸法测定其结合强度为48 MPa。

纳米Al_2O_3等离子喷涂涂层的制备及性能分析

目的：对比研究微/纳米Al2 O3等离子喷涂涂层的组织、力学及摩擦磨损行为。方法以纳米Al2 O3粉末为原料,利用喷雾干燥法制备出粒径分布在35-75μm的喷涂喂料,采用等离子喷涂技术在20钢基体上制备纳米Al2 O3涂层。采用商用微米Al2 O3喂料,以相同的喷涂工艺制备出微米Al2 O3涂层。对粉末、涂层的显微结构及涂层的磨损形貌进行表征,对比分析两种涂层的组织、力学性能和摩擦磨损行为。结果与微米Al2 O3涂层相比,纳米Al2 O3涂层粒子间结合更为致密,使得其结合强度和显微硬度得到大幅度提高。在载荷750 g,转速1000 r/min的条件下,微米Al2 O3涂层的摩擦系数为0.41,而纳米Al2 O3涂层仅为0.34,并且摩擦系数值的波动幅度更为稳定。在不同转速下,纳米Al2 O3涂层的磨损率均降低明显。结论纳米Al2 O3等离子喷涂涂层组织致密,表现出了较好的力学性能和耐磨性。

激光重熔纳米Al_2O_3-13%TiO_2陶瓷涂层组织及性能

为了进一步提高等离子喷涂纳米Al2O3-13%TiO2(质量分数,下同)复合陶瓷涂层的性能,在γ-TiAl基体材料表面采用激光重熔工艺对涂层进行处理,研究了激光重熔对涂层微观组织和性能的影响。用扫描电镜(SEM)和显微硬度计分析了涂层形貌、微观结构和显微硬度,同时对涂层的磨损特性进行了考察。结果表明,等离子喷涂纳米陶瓷涂层由纳米颗粒完全熔化区和部分熔化区两部分组成,仍然具有等离子喷涂态的典型层状结构。经过激光重熔后,形成了致密细小的等轴晶重熔区、烧结区和残余等离子喷涂区,由于激光快速加热和快速冷却加工特点,在重熔区仍保留了部分来源于原等离子喷涂部分熔化区的残留纳米粒子。与常规等离子喷涂陶瓷涂层相比,纳米结构涂层可在一定程度上提高其硬度和耐磨性,经过激光重熔后其硬度和耐磨性进一步提高。

铝合金表面纳米Al_2O_3-40%TiO_2复相陶瓷涂层力学与摩擦学性能

为提高铝合金零部件的耐磨性能,运用等离子喷涂技术在7005铝合金表面制备纳米Al2O3-40%TiO2(NAT40)复相陶瓷涂层,分析该涂层的微观结构,测试其主要力学性能,研究其在干摩擦和3.5%NaCl溶液中的摩擦行为与机制。结果表明:NAT40涂层的显微硬度为638.6 HV0.5,断裂韧度为13.3 MPa.m1/2,与基体的临界结合力达到80.35 N,均高于微米Al2O3-40%TiO2(MAT40)涂层。干摩擦时,随着载荷从3 N增大至12 N,NAT40涂层的摩擦因数从0.20上升至0.32,其磨损失重也从1.3 mg增大到2.2 mg;轻载3 N时,涂层以微观切削磨损为主,而在重载12 N条件下,磨损表面闪温计算值达到541.65℃,导致涂层的强度和硬度下降,磨损机理变为多次塑变磨损、粘着磨损和氧化磨损。在3.5%NaCl溶液摩擦环境中,NAT40涂层在相同载荷条件下的摩擦因数较干摩擦时显著降低,但重载(12 N)时,其磨损失重却比干摩擦时增加22.7%;随着载荷的增加,涂层的磨损机理由疲劳磨损转变为应力腐蚀磨损。

等离子喷涂纳米结构Al_2O_3/TiO_2涂层的组织与性能研究

采用液相喷雾造粒的方法将纳米级 Al2O3/TiO2 颗粒团聚成适用于等离子喷涂的微米级粉体,并利用等离子喷涂技术成功地制备出含有纳米结构的陶瓷涂层。利用X射线衍射仪、扫描电镜和显微硬度计等设备对涂层的微观结构和性能进行检测。结果表明,所制备的涂层中含有适当比例的未熔或半熔的纳米颗粒,涂层的硬度、韧性和耐磨性等性能与传统涂层相比都有了较大的提高。

等离子喷涂纳米Al_2O_3/TiO_2复合陶瓷涂层的显微组织与性能

采用液相喷雾造粒方法将纳米级Al2O3/TiO2团聚成微米级颗粒,制备了适用于等离子喷涂的陶瓷复合粉体,并利用等离子喷涂技术成功的制备出了含有纳米结构的陶瓷涂层。利用X射线衍射、扫描电镜、透射电镜和显微硬度计等设备对涂层的微观结构和性能做了初步的检测。结果表明,涂层中含有适当比例的未熔或半熔的纳米颗粒,涂层的硬度、韧性和耐磨性等性能与普通涂层相比都有了较大提高。

TiAl合金表面激光重熔Al_2O_3-13wt%TiO_2复合陶瓷涂层组织结构

采用等离子喷涂和激光重熔复合工艺在TiA l合金表面制备了A l2O3-13wt%TiO2复合陶瓷涂层。为了减少重熔层裂纹等缺陷,采用较低的激光功率和能量密度进行重熔。用扫描电镜(SEM),能谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)分析了涂层形貌、微观结构和相组成。结果表明,经过激光重熔处理后,陶瓷涂层颗粒细化,片层状组织得以消失,致密性提高,获得了基本没有裂纹等缺陷的重熔层;激光重熔亚稳相-γA l2O3转变为稳定相-αA l2O3;由于陶瓷材料导热系数较低的影响,激光重熔时无法使整个陶瓷层实现重熔,重熔后的陶瓷涂层形成了晶粒细小的等轴晶重熔区、烧结区以及片层状残余等离子喷涂区。

复相陶瓷涂层Al-TiO_2-B_2O_3体系热力学与动力学分析

采用Al-TiO2-B2O3反应体系并利用机械合金化(MA)原位合成Al2O3-TiB2复合相,对Al-TiO2-B2O3反应体系标准反应吉布斯自由能(ΔGT)进行计算,并应用Starink法计算其反应活化能,计算结果表明:Al2O3和TiB2的生成可能性较大,XRD分析的结果也证实了这一点;利用差示扫描量热分析(DSC)对反应体系进行了研究,分析了Al2O3-TiB2复合相的生成过程;MA5h后粉体的Ea为361.35kJ·mol-1,MA20h后粉体的Ea为188.35kJ.mol-1。

等离子喷涂纳米Al_2O_3-13TiO_2陶瓷涂层研究

以常规和纳米团聚体Al2O3-13TiO2(ω/%,下同)复合陶瓷粉末为原料,采用等离子喷涂工艺在TiAl合金表面制备常规和纳米结构陶瓷涂层。用扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)仪分析粉末和涂层形貌、微观结构及相组成,同时对纳米结构涂层的微观组织形成机制进行了讨论。结果表明:常规复合陶瓷涂层呈典型的等离子喷涂层状堆积特征;纳米结构复合陶瓷涂层由部分熔化区以及与常规等离子喷涂类似的片层状完全熔化区组成。根据组织结构的不同,部分熔化区又分为亚微米A12O3粒子镶嵌在TiO2基质相的三维网状或骨骼状结构的液相烧结区和经过一定长大但仍保持在纳米尺度的残留纳米粒子的固相烧结区,不同的部分熔化组织源于复合陶瓷粉末中A12O3与TiO2之间的熔点差异。由于等离子喷涂过程中涂层沉积时的快速凝固作用,不管是常规还是纳米涂层都以亚稳相γ-A12O3为主。

镁合金等离子喷涂Al/Al_2O_3涂层的耐腐蚀性能

采用等离子喷涂技术在AZ31镁合金表面制备Al/Al2O3复合涂层,测试了镁合金及表面喷涂有Al/Al2O3复合涂层的镁合金试样的极化曲线,研究了没有涂层、经封孔处理和未经封孔处理的喷涂有复合涂层的镁合金三种试样在浸泡腐蚀和5%NaCl盐雾腐蚀情况下的耐腐蚀性能及其腐蚀行为。结果表明,经封孔处理的Al/Al2O3复合涂层镁合金试样在上述腐蚀条件下的耐腐蚀性均优于镁合金和涂层未封孔处理的试样,在浸泡试验中未封孔处理的涂层试样比镁合金腐蚀更加严重,在盐雾试验中却优于镁合金。

铝热剂法原位合成农机刀具Al_2O_3-Ti(C,N)复合涂层组织结构及性能

为了提高旋耕刀、犁铧等农机触土刀具表面强度,以铝热剂的放热反应提供内在热源、等离子弧作为外在热源,采用反应等离子熔覆技术在Q235钢表面原位合成了Al_2O_3-Ti(C,N)复合材料涂层。利用扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪、显微硬度计、金相显微镜等对复合涂层的微观结构及强质硬化相的成分、组织及性能进行了分析。结果表明:涂层与基体呈冶金结合,涂层主要由网状、嵌套、球状等3种结构组成,硬质相Al_2O_3、Ti(C,N)与粘结相Fe-Ni之间相互包裹、互相嵌套,构形成空间网状骨架结构;涂层硬度最高可达HV_(0.5)2160,平均硬度HV_(0.5)1870,约为基体Q235钢的7.7倍;涂层摩擦系数约为0.372,其磨损量约为65Mn钢及Q235钢的1/7和1/17,与基体相比,复合涂层具有较高的硬度和较好的摩擦磨损性能,可以为农机材料表面强化提供参考。

等离子喷涂纳米和微米Al_2O_3-TiO_2涂层摩擦磨损性能研究

采用大气等离子喷涂的方法制备了纳米和微米Al2O3-TiO2涂层,其中w(TiO2)=13%.分析了涂层组织形貌特征和结合强度等性能,研究了两种涂层在不同载荷下的摩擦磨损性能.结果表明,纳米Al2O3-TiO2涂层是由未熔或半熔纳米颗粒区域与完全熔融粒子铺展区域共同构成的,孔隙率低,显微硬度、结合强度均高于层状结构的微米涂层,且纳米涂层磨损量明显小于微米涂层.高载荷下磨屑均匀细化、圆整,形成微滚珠效应,纳米涂层稳态摩擦系数随载荷增大而下降,而微米涂层摩擦系数随载荷变化不明显.

不同喷涂工艺制备的Al_2O_3-13%TiO_2涂层表面自由能与冲蚀磨损性能研究

采用接触角测量仪和冲蚀磨损试验机等设备,研究超声速等离子喷涂与普通大气等离子喷涂两种技术制备的Al_2O_3-13%TiO_2涂层的表面自由能和冲蚀磨损性能,并对涂层的显微硬度、孔隙率及成分进行检测分析。研究结果表明,普通大气等离子喷涂技术制备的涂层,其表面和内部结构疏松,孔隙率及显微硬度分别为6.653%和836.93 HV0.1。而超声速等离子喷涂技术制备的涂层,孔隙率及显微硬度分别为3.467%和1 078.68 HV0.1,相比普通大气等离子喷涂而言,超声速等离子喷涂制备的涂层整体性能较为优异。通过对两种涂层的结构和表面自由能分析发现,超声速等离子喷涂Al_2O_3-13%TiO_2涂层由于结构致密、表面自由能较低而具有较为出色的冲蚀磨损性能。

Al_2O_3陶瓷表面机械合金化制备铜涂层研究

采用机械合金化方法于Al2O3陶瓷表面制得Cu涂层,研究了不同球磨时间的工艺条件下,陶瓷表面金属涂层的微观组织形貌,并对机械合金化过程中陶瓷表面金属化的过程作了相关探讨。实验结果表明,在磨球撞击和摩擦的反复作用下,铜粉首先附着在陶瓷基体表面并填充表面的凹坑,然后在进一步球磨过程中冷焊到基体表面,最终在陶瓷表面形成Cu涂层;涂层与基体之间基本无扩散,结合机制主要为机械结合;适当延长球磨时间,有利于涂层厚度、致密度的增加。划痕法测试表明,涂层与陶瓷基体结合较为紧密且并无起翘剥落。