《复合材料基础与防护涂层技术应用》课程思政教学设计探究

本文在分析《复合材料基础与防护涂层技术应用》课程特点的基础上,提出了该课程的教学目标,并从知识目标、能力目标和价值观目标这三个方面进行了课程思政教学设计,以“大国工匠”精神、爱国主义情怀、科技强国思想、创新意识和职业素养等方面作为思政教学的切入点,将其与专业知识教学有机融合,培养学生“爱国敬业、勇于担当、勤于实践”的精神,让学生在学习专业知识的同时也能树立正确的价值观和人生观。并加入制备功能梯度防护涂层圆柱壳的实际教学来加深学生对该课程的理解,通过教学改革创新实现价值引领和知识传授并重的教学目标,旨在培养具有社会责任感、创新精神和实践能力的高素质学术型人才。

TC4钛合金表面激光熔覆Ti-Mo-Al-B复合涂层的组织及摩擦磨损性能

为了改善TC4合金的表面耐磨性能,采用激光熔覆技术在TC4合金表面制备出Ti-Mo-Al-B复合涂层。分析了涂层的物相组成及微观组织结构,揭示了复合涂层的合成机理,结合其组织特征分析了涂层的硬度分布,并分析了不同载荷下涂层的摩擦磨损性能。结果表明,复合涂层与基体之间形成了良好的冶金结合,复合涂层主要由BCC固溶体基体相、短杆状和颗粒状TiB增强相以及少量α-Ti相组成。涂层的平均硬度为648.69HV,较基体TC4合金(330HV)提升了1.97倍。涂层的磨痕表面平整且犁沟较少,在载荷为30 N时,磨损量相较TC4基体减少了11%,其磨损机制为磨粒磨损。

激光熔覆原位Ti-C-B-Al复合涂层的结构特征与力学性能

以钛粉、铝粉和碳化硼粉末为原料,采用同步同轴激光熔覆系统在Ti6Al4V钛合金表面制备含原位自生TiC、TiB以及TiAl金属间化合物增强钛基的Ti-C-B-Al复合涂层,研究了复合涂层的显微组织、物相构成、显微硬度和微纳米力学性能。结果表明,三种粉末在高能激光束的作用下充分反应并生成了TiC、TiB以及TiAl金属间化合物增强相。复合涂层表面光滑,涂层内部无气孔及裂纹,与基体间形成了良好的冶金结合,增强相在涂层内分布均匀,相比于基体,熔覆涂层具有较优的力学性能。涂层硬度在460HV_(0.3)~510HV_(0.3)之间,同时涂层的纳米力学性能与显微硬度具有较好的对应关系,其中当m(Ti)∶m(Al)∶m(B_(4)C)=84∶12∶4时,制得的涂层具有较优的力学性能。

纳米复合智能防腐涂层在金属表面上的应用研究

智能防腐涂料能可有效地提高金属的使用寿命,因而具有自愈功能的智能防腐涂料越来越受到人们的重视。概述了pH响应、光刺激响应、离子响应等不同触发机制的纳米智能防腐机制研究,总结了不同金属表面纳米复合智能防腐涂层研究进展,最后提出金属表面智能自修复防腐涂层发展所面临的挑战和未来发展前景。

NiAl复合涂层中强化相的形成机理及其对磨损性能的影响

目的提高NiAl复合涂层的硬度,扩大它作为涂层材料在矿山机械和石油化工领域的应用范围。方法TiC、TiB_(2)金属陶瓷颗粒具有较高的熔点、硬度、弹性模量及较好的化学稳定性,是一种优良的高温结构材料。采用等离子熔覆技术在Q235低碳钢表面制备NiAl金属间化合物涂层和TiC-TiB_(2)强化NiAl复合涂层,研究涂层的微观组织结构、金属粉末反应热力学、TiC-TiB_(2)强化相的形成机理和涂层的摩擦行为。结果涂层组织紧密、均匀,涂层与基体具有良好的冶金结合。NiAl涂层主要由NiAl、γ-(Fe,Ni)固溶体组成。复合涂层由NiAl、Ni_(3)Al、γ-(Fe,Ni)、TiC和TiB_(2)增强相组成。TiC相呈小块状,TiB_(2)相呈短棒状。粉末反应的热力学计算进一步证明了强化相TiC、TiB_(2)的形成。强化相的形成机理与原子扩散沉淀和晶体结构有关。与NiAl涂层相比,复合涂层的平均硬度从416HV提高到525HV,摩擦因数和磨损失重(质量损失)从0.68、0.376 g分别降至0.54、0.192 g。NiAl涂层磨损表面出现较多大且深的犁坑,NiAl复合涂层磨损表面较为平滑,只有少量浅犁沟。结论TiC和TiB_(2)主要通过溶解、扩散和沉淀析出方式形成。NiAl复合涂层具有高硬度、低摩擦因数和较少的磨损失重,具有优异的耐磨性能。在基体中弥散分布的小块状TiC颗粒和组织稳定性高的强化相有利于提高NiAl复合涂层的硬度和磨损性能。NiAl涂层的磨损机理主要为黏着磨损,复合涂层的磨损类型以磨粒磨损为主。

改性碳纤维-MoS_(2)复合涂层的高温摩擦学性能研究

为了改善高温下固体润滑复合涂层的稳定性,选择经过化学改性的纳米碳纤维对MoS_(2)涂料进行性能优化,制备添加不同比例的改性粉末的涂料.通过对粉末进行XPS、红外和形貌分析,表明碳纤维已经改性.借助CFT-I型高速往复摩擦磨损试验机分别在不同温度条件下进行摩擦试验,利用超景深显微系统对不同条件涂层表面磨损的形貌进行观测,对磨损机理进行分析,探究添加量的最优比例.试验结果表明:在试验温度分别为20、50和100℃时,添加质量分数1.5%CF-GO(氧化石墨烯改性碳纤维)涂料制备的涂层耐磨性能均优于其他的添加比例的涂层.在干摩擦5 N载荷,试验温度为200℃时,添加质量分数1.5%CF-GO的涂层比未改性的涂层的磨痕深度、宽度分别减少66.1%、29.2%,涂层的耐磨性能有了很大的提高,进一步采用扫描电子显微镜(SEM)分析涂层的内部形貌可知,添加质量分数1.5%的CF-GO时,涂层内部形成清晰的网状结构,从而使得该比例下的涂层同时具有抗高温变形、耐磨以及耐热等优异的性能.

涂镀铝+微弧氧化工艺制备复合涂层研究进展

采用涂镀铝+微弧氧化的复合工艺可在钢材、镁合金、钛合金、陶瓷甚至高分子等多种材料表面制备以氧化铝为主的复合涂层,从而提高材料的绝缘、耐磨、耐腐蚀等性能。本文概述了热浸镀、喷涂、物理气相沉积、熔盐电镀以及包埋渗等涂镀铝工艺与微弧氧化工艺相结合制备复合涂层的国内外研究进展,重点分析了各种涂镀铝+微弧氧化工艺制备复合涂层的结构特点、影响因素及工艺的优缺点,最后对涂镀铝+微弧氧化复合工艺进行展望,并提出该领域亟待解决的问题。

第二相增强铁基非晶复合涂层耐磨性能研究

目的改善涂层的耐磨性能。方法挑选球状碳化钨粉末、块状金属钨粉、类球形氧化铝粉末、片状氧化铝粉末、氮化硅晶须、片状硫化钼粉末以及块状氮化钛粉末作为增强相,制备出铁基非晶复合涂层,分析涂层的组织与显微结构,表征非晶相与第二相之间的界面结合,并对不同涂层的耐磨性能进行测试,讨论第二相性质对复合涂层性能产生的影响。结果涂层的摩擦因数主要与表面氧化程度有关,低负载下W、WC以及球状Al_(2)O_(3)颗粒相能够减少涂层表面非晶的晶化,摩擦因数均低于0.3;高负载下非晶涂层的摩擦因数主要受涂层表面硬质相上粉率的影响,提高硬质相的上粉率能有效改善涂层的耐磨性能,上粉率较高的W、球状Al_(2)O_(3)以及WC 3种涂层最终的摩擦因数分别为0.41、0.44以及0.45,其余硬质相占比较低的涂层均在0.48左右。结论涂层磨损主要分为3个阶段:初期的磨合阶段、中期的稳定磨损阶段,以及涂层由于摩擦过程的热量积累出现氧化,当氧化积累到一定程度后就进入后期的剧烈磨损阶段,涂层表面的氧化脱落与新相生成的速度达到平衡,摩擦因数逐渐稳定不再变化。

稀土镁合金表面激光熔覆AlSi12/TiN复合涂层的组织及性能研究

采用高速激光熔覆技术在Mg-Gd-Y-Zr镁合金表面制备了AlSi12/TiN复合涂层。通过光学显微镜(OM)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、摩擦磨损实验以及电化学分析测试等方法,研究不同含量陶瓷强化相Ti N涂层的显微结构、熔覆层结合强度、摩擦磨损性能以及耐腐蚀能力。结果表明,复合涂层主要由α-Mg、Mg_(2)Si枝晶、Al_(12)Mg_(17)、Al_(3)Mg_(2)金属间化合物以及Ti N强化相组成。由于存在强化的第二相和细化的晶粒,AlSi12/TiN复合涂层的摩擦系数、维氏硬度及结合强度分别达到0.45、210 HV0.1和40 MPa。此外,与镁合金基体相比,腐蚀电位提高683 m V,自腐蚀电流密度降低了2个数量级。利用激光熔覆技术可在Mg-Gd-Y-Zr镁合金表面制备结合强度高的Al Si12/TiN复合涂层,有合适含量强化相存在的涂层显著提高了基体表面的耐磨损与耐腐蚀性能。

添加CeO_(2)对激光熔覆Ni基/WC复合涂层的影响

为了提高Q235钢材在海水中的耐腐蚀性能,扩大其应用场合,使其能够服役于富含Cl离子的海洋环境,采用激光熔覆技术,在Q235钢表面制备出添加不同质量分数CeO_(2)改性的Ni基/WC复合熔覆层,并利用扫描电镜、能谱仪和电化学工作站等仪器对熔覆层的组织与性能进行了测试。结果表明,适量CeO_(2)的加入可以促进晶粒细化与组织的均匀分布,提高熔覆层在NaCl溶液(质量分数为3.5%)中的耐腐蚀性能;当添加的CeO_(2)质量分数达到1%时,熔覆层具有最高的平均硬度与最好的耐海水腐蚀性能;过高的CeO_(2)含量则会加剧电偶腐蚀效应,降低其耐腐蚀性能。该研究为后续在Q235钢材表面制备耐腐蚀的激光熔覆合金涂层、改善合金材料表面性能提供了理论参考依据。

WC含量对WC增强镍基复合涂层界面组织的影响

WC(碳化钨)增强镍基复合涂层具有高耐磨、耐腐蚀、高硬度特点,在盾构部件、旋耕刀具、石油钻探等领域广泛应用.为提高水力机械过流部件服役寿命,以WC颗粒和镍基粉状钎料为涂层材料,采用真空炉中热辐射钎涂方法在奥氏体不锈钢表面成功制备WC增强镍基复合钎涂层,借助扫描电镜、X射线衍射仪等对钎涂层显微组织和界面行为进行系统分析.结果表明,硬质相WC与镍基钎料界面结合存在机械咬合与冶金结合双重作用;钎涂层与钢基体之间存在一定程度的成分扩散,其较狭窄扩散区宽度约100μm;当WC含量低于25%时,复合钎涂层对不锈钢基体润湿性较好,可制备出最低孔隙率1.08%的复合钎涂层.

碳钢表面电镀锌镍/有机富铝复合涂层的制备与性能

为提高碳钢表面电镀锌镍的防护性能和应用限制,采用电镀锌镍层作为底层,有机富铝涂层作为顶层,设计出一种复合涂层防护体系。采用扫描电镜(SEM)、能谱(EDS)、中性盐雾试验、电化学测试等手段对电镀锌镍/有机富铝复合涂层的表面/截面形貌及耐蚀性进行表征与分析。结果表明:电镀锌镍/有机富铝复合涂层表面光滑平整,无明显缺陷,复合涂层体系界面结合良好,无分层现象,经1500 h中性盐雾试验后复合涂层无红锈。复合涂层较单独的电镀锌镍合金层腐蚀电流密度降低了2个数量级,表现出受控的牺牲阳级作用,并实现了在海洋防护领域的应用。复合涂层有效提升了电镀锌镍层的耐腐蚀性能,拓宽了电镀锌镍层在腐蚀防护领域的应用范围。

涂料助剂对PDMS改性环氧树脂/Al复合涂层性能的影响

为进一步降低超疏水低红外发射率复合涂层的发射率并提高涂层的附着力,采用分散剂和硅烷偶联剂KH560来改善聚二甲基硅氧烷(PDMS)改性环氧树脂/Al复合涂层的填料分散状态及界面结构。系统研究了分散剂添加量(质量分数)及KH560添加量(质量分数)对涂层微结构、光学性能、疏水性能及附着力的影响规律。结果表明:聚羧酸盐阴离子型分散剂可通过静电斥力和降低填料颗粒的表面能来改善涂层中片状Al粉和纳米SiO_(2)的分散状态,从而在一定程度上降低涂层的红外发射率,同时可使涂层具备较低的光泽度和良好的超疏水性能。KH560可利用其分子结构两端的甲氧基和环氧基在涂层中发挥桥连作用。通过KH560的桥连作用,涂层中的树脂基体和填料间可形成良好的化学键结合,从而使涂层表面结构更加致密,孔隙减少,进而可使涂层的发射率有所降低。同时,KH560改性可使涂层中的树脂基体与金属基板间形成化学键结合,从而可明显提高涂层的附着力。当涂层中分散剂和KH560的添加量分别为5%和3%时,涂层具有最佳的发射率(0.619)、光泽度(2.9)及附着力(1级)。同时,涂层具备良好的超疏水性能(水接触角为154°,滚动角为6°)。

铸造过滤网用无机-有机耐热复合涂层材料研究

利用生产热塑性酚醛树脂产生的废水和六羟甲基三聚氰胺(HMM),生产铸造过滤网用耐热涂层材料HMM改性酚醛树脂,并与液体铝溶胶复合,制备过滤网用无机-有机耐热涂层复合材料。借助残炭率的测定、热重分析和差示扫描量法手段,分析了HMM改性酚醛树脂的组成对改性酚醛树脂的耐热性能影响,同时还分析了无机-有机耐热复合涂层材料降低过滤网发烟量与阻止着火机理,以及讨论了影响过滤网性能的因素;从而得出HMM改性酚醛树脂最佳组成为HMM改性酚醛树的固体物中氮含量约在5%左右,无机-有机复合涂层材料的最佳组成为HMM改性酚醛树脂与液体铝溶胶质量比为4∶1,铝溶胶有利于提高过滤网复合涂层材料耐热性能和降低过滤网发烟量、阻止着火有一定作用。

碳化硅陶瓷基复合材料表面环境障涂层结合强度

SiC陶瓷基复合材料(SiC-based ceramic matrix composites,SiC-CMC)是发展高推重比航空发动机理想的高温结构材料。为了防止发动机服役环境下燃气(富含H2O和O_(2))对SiC-CMC的腐蚀,需要在其表面制备抗水氧腐蚀、抗燃气冲刷和抗热冲击性能优异的环境障涂层(environmental barrier coatings,EBCs)。在评价EBCs性能的诸多因素中,其与SiC-CMC基体之间的结合强度是一个重要技术指标,但结合强度的极限值一直未被探究清楚。本工作研究影响结合强度的主要因素,包含SiC-CMC基体状态、单晶Si的拉伸强度极限,以及Si黏结层的制备工艺等,获得了制备最高结合强度的有效途径。在EBCs与SiC-CMC组成的体系中,基体内部SiC纤维布之间的界面是结合强度最薄弱的部位,其次是EBCs的Si层。整个体系的结合强度极限值是15 MPa,它是单晶Si在[400]晶向的拉伸强度极限。采用大气等离子喷涂或者超音速火焰喷涂的Si黏结层结合强度相似,均低于同样工艺制备的莫来石或Yb2Si2O7涂层。

镁合金表面微弧氧化/自组装/镍复合涂层的腐蚀过程和机理

镁合金具有很强的活性,在水溶液或潮湿的大气中容易被腐蚀。为了提高镁合金的耐腐蚀性能,首先利用微弧氧化工艺进行微弧氧化,通过乙酸乙酯(C_(4)H_(8)O_(2))进行自组装,最后化学镀镍,在AZ91D镁合金表面制备微弧氧化(MAO)/自组装(SAM)/镍(Ni)复合涂层。通过形貌结构、电化学测试和腐蚀产物分析研究复合涂层在3.5 wt.%NaCl环境中的腐蚀行为,并建立复合涂层的腐蚀过程模型。结果表明:Cl^(−)的存在加速了腐蚀的发生。复合涂层的腐蚀电流密度与镁合金相比下降3个数量级,复合涂层显著提高了镁合金的耐蚀性。复合涂层在盐雾环境中0~96 h时,Ni层表面结构仍然致密。当复合涂层暴露在腐蚀环境中120 h后,Ni层开始被破坏,腐蚀离子进行渗透,形成通道。之后,基体上的SAM层和MAO层的保护时间缩短。在144 h时,腐蚀离子直接穿透了复合涂层,使基体涂层保护失效。研究成果可为该类涂层的开发、制备和应用提供试验依据和理论基础。

激光熔覆WC/316L复合涂层结构及磨损性能

为改善激光熔覆过程中WC增强金属基复合涂层分解与分布不均匀的问题,采用激光熔覆技术制备了50%WC含量的WC/316L复合涂层,分别采用扫描电子显微镜(SEM)、显微维氏硬度计、摩擦磨损试验机表征了熔敷层的组织形貌、硬度与摩擦磨损性能。结果显示,低热输入量可以防止WC颗粒下沉,提升熔覆层厚度方向上的WC颗粒分布均匀性;但WC的平面分布均匀性较差,同时低热输入导致WC颗粒结合较弱,易发生脱落;熔覆过程中,粉末中15%的WC发生分解。研究表明,通过降低激光热输入量,可以制备WC厚度方向较为均匀的复合涂层,提升熔覆层耐磨性,但是需要优化WC平面分布均匀性与WC颗粒结合性能。

表面机械研磨法制备Ni+WC复合涂层的耐磨性研究

为强化TA1钛合金的组织结构并提高其耐磨损性能,采用行星式机械球磨装置,在Ni与WC 2种粉末配比分别为1∶1、2∶1、3∶1、4∶1及5∶1的5种混合型增强介质下对TA1合金进行表面机械复合强化处理,在0.05 MPa氮气气氛下,设定转速为350 r/min,时间为8 h,对TA1钛合金进行表面机械变形+固相涂层复合强化处理,这种一步法表面复合强化技术具有工艺简单、能耗少、涂层选材灵活等优势。结果显示:TA1钛合金表面形成由Ni+WC涂层+形变细晶区组成的复合强化层,涂层区厚度在40μm以上,其中Ni∶WC为3∶1时所得复合涂层内部缺陷最少,且连续均匀。在5 N、10 N载荷下Ni∶WC为3∶1摩擦系数相较于其他比例低,摩擦区间更加稳定且持续时间更长。2种载荷下磨损量均较TA1原样少,其中Ni∶WC为3∶1的强化样磨痕深度、磨损量均优异于其他4种配比,因此减摩效果最为优异。此种Ni、WC混合增强介质下表层机械复合强化工艺可大幅提升TA1钛合金表层耐磨损性。混合增强颗粒涂层具有较强的减摩效果,其磨损机制主要是磨粒磨损与氧化磨损。

冷喷涂Ti/WC复合涂层的组织与耐磨性研究

为解决钛及其合金磨损性能较差的问题,采用高压冷喷涂技术在Ti6Al4V合金基体上沉积了2种不同成分的Ti/WC复合涂层,通过室温下的干滑动摩擦磨损试验分别测试了基体与复合涂层的摩擦性能,并采用扫描电镜及拉曼光谱对磨损表面进行了观察与表征。结果表明,与Ti6Al4V基体的磨损率(4.06×10-7 mm3/(N·m))相比,复合涂层的磨损率降低了一个数量级,表现出优异的耐磨性。此外,涂层内WC含量的增加,提高了涂层的显微硬度,涂层的耐磨性也随之提升。在磨损轨迹表面,由TiO2、WO3以及WC碎片构成的摩擦膜能够有效避免磨球与涂层表面的直接接触,从而降低磨损程度。因此,冷喷涂Ti/WC复合涂层在钛合金磨损防护方面具有一定的应用前景。

低压冷喷涂制备Al-Ni-xCr复合涂层及其磨损特性研究

防腐性能较好的铝基涂层存在耐磨性不足的问题。本文设计了Ni粉和Cr粉复合沉积的方法来改善涂层的耐磨性。采用低压冷喷涂技术,制备了一系列Cr含量不同的Al-Ni-xCr复合涂层。通过金相、扫描电镜及X射线衍射等方法分析了复合涂层的微观形貌和成分。采用显微硬度计和磨损仪测试了涂层的显微硬度和磨损曲线,结合磨痕形貌分析了复合涂层的磨损机理。研究得出:低压冷喷涂可实现Al、Cr、Ni三种金属粉的共沉积,并获得致密、均匀的Al-Ni-xCr复合涂层。枝晶状Ni粉沉积率较高,Cr粉沉积率较低。含70 wt.%Cr的混粉涂层中,Cr含量约为31 wt.%。硬质颗粒Cr同时起到夯实涂层的作用,随着Cr含量增加,Al-Ni-xCr复合涂层的致密性提高。Al-Ni-xCr复合涂层的耐磨性能主要来自于Cr而非Ni,且与Cr含量有关。Al-Ni-70Cr复合涂层耐磨性最佳,磨损率仅为Al涂层的1/2。其优异的耐磨性归因于摩擦界面形成了稳定的、较硬的、含Cr量较高的复合氧化膜,抑制了磨损过程。