| 氧化物/镍基复合涂层设计及高温摩擦学和氧化行为研究 | |
| Alternative Title | 无 |
| 石佩璎 | |
| Thesis Advisor | 王齐华 ; 易戈文 ; 谢二庆 |
| 2021-05-21 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 工学博士 |
| Degree Discipline | 材料学 |
| Keyword | 氧化物 等离子喷涂 高温摩擦 氧化 复合涂层 Oxides Atmospheric plasma spraying High temperature tribology Oxidation Composite coatings |
| Abstract | 机械运动零部件的服役环境日渐苛刻（超高温、高速和特殊介质等），对固体润滑材料的性能提出了更高的要求，因此运用摩擦学原理构筑新型的高温润滑材料具有重要的理论意义和应用价值。常见的高温固体润滑剂有氧化物、氟化物和无机含氧酸盐等，其中氧化物在高温下的结构和化学稳定性好，剪切强度低。然而关于氧化物改善高温摩擦性能的机理和在高温摩擦过程中的物相转变、界面演化规律的研究还不充分。本文根据晶体学模型以及离子势和相互作用参数的概念，选取TiO2、ZnO和MoO3三种氧化物，采用大气等离子喷涂工艺制备了系列氧化物/镍基复合涂层，研究了其组织形貌、力学性能、摩擦学性能和高温氧化行为。获得的研究结果如下： （1）添加TiO2–ZnO和MoO3–ZnO可有效改善Ni–5wt.%Al涂层的高温摩擦学性能。其中含有10%TiO2+10%ZnO和5%MoO3+5%ZnO的两组复合涂层在800℃下具有较低的摩擦系数（0.31和0.28）和磨损率（6.97×10-5mm3N-1m-1和4.22×10-5mm3N-1m-1）。在高温摩擦过程中，涂层和对偶球的磨损表面均出现了较光滑的润滑膜，阻碍了涂层和对偶球的直接接触，其中润滑膜中NiO、TiO2/MoO3、ZnO以及Zn2TiO4/ZnMoO4和NiMoO4的协同作用，使涂层具有良好的高温摩擦学性能。复合涂层均呈现层状结构，内部出现气孔和未熔颗粒等缺陷，导致涂层硬度和结合强度降低。 （2）采用预混合团聚的TiO2–ZnO喷涂粉末制备的涂层比单独添加团聚破碎的TiO2和ZnO粉末制备的涂层组织结构更为致密。预混合粉末制备的涂层在室温、400℃和800℃的摩擦系数无显著变化，而在400℃和800℃的磨损率增大。进一步添加MoO3制备的TiO2–ZnO–MoO3/Ni–5wt.%Al复合涂层摩擦系数降低至0.26，但是涂层的抗磨性能未得到明显改善。摩擦系数的进一步降低主要是由于MoO3相较于TiO2和ZnO具有更高的离子势，且形成的钼酸盐（ZnMoO4和NiMoO4）的离子电势差异较大。另外，由于从涂层转移到摩擦副（Al2O3球）表面的Mo含量较高，导致添加了MoO3的涂层在800℃时表现出更高的磨损率。 （3）预热处理（800℃/5 h）后，TiO2–ZnO/Ni–5wt.%Al和TiO2–ZnO–MoO3/Ni–5wt.%Al复合涂层的相组成发生了变化，但其组织变化不明显，高温摩擦学性能未明显退化。Ni–5wt.%Al粘结层在热处理后内部有NiAl2O4针状组织生成；两组涂层在热处理后NiO含量均增加；TiO2–ZnO–MoO3/Ni–5wt.%Al复合涂层中NiMoO4相含量增加；MoO3的加入以及NiMoO4和ZnMoO4的形成限制了TiO2从金红石结构向锐钛矿结构的相转变。预热处理后的TiO2–ZnO/Ni–5wt.%Al复合涂层在800℃的摩擦系数和磨损率均略有降低，而预热处理对TiO2–ZnO–MoO3/镍基复合涂层在800℃的摩擦系数和磨损率影响不明显。 （4）用NiCrAlY取代Ni–5wt.%Al作为复合涂层的金属粘结剂，可进一步改善高温摩擦学性能和室温力学性能，同时可以抑制800℃下氧化初期ZnO向表面的迁移。NiCrAlY和TiO2–ZnO/NiCrAlY涂层室温摩擦系数较高（~0.7），随着温度的升高，摩擦系数和磨损率均降低。当温度升高到800℃，TiO2–ZnO/NiCrAlY涂层的摩擦系数低至0.24，磨损率为7.3×10-6 mm3N-1m-1。优异的摩擦性能得益于复合涂层和Al2O3球表面R-TiO2、ZnO、Cr2O3、Cr5O12、NiO、Al2O3和Zn2TiO4等多种氧化物的存在。NiCrAlY基复合涂层的平均显微硬度值高于Ni–5wt.%Al基复合涂层，主要是由于Cr的固溶强化作用和β-NiAl相（BCC）的强化作用。NiCrAlY替代Ni–5wt.%Al作为复合涂层的金属粘结剂，可减缓Ni的高温氧化。TiO2–ZnO/Ni–5wt.%Al和TiO2–ZnO/NiCrAlY两种复合涂层在800℃和1000℃的静态氧化过程中，ZnO向表面迁移，且迁移速率随着温度的升高而加快。在800℃时的氧化初期，ZnO在NiCrAlY基复合涂层中的迁移速率明显低于其在Ni–5wt.%Al基复合涂层的速率；当温度升高到1000℃，ZnO在两种涂层中的迁移速率没有明显差异。 （5）等离子喷涂制备的不含金属粘结剂的TiO2–ZnO涂层截面呈现双态组织，包含富Ti的完全熔化区域和富Zn的部分熔化区域，涂层中含有金红石型R-TiO2和锐钛矿型的A-TiO2以及Zn2TiO4；而较为致密的TiOx涂层主要由A-TiO2、R-TiO2和Ti8O15组成。TiO2–ZnO涂层的显微硬度低于TiOx涂层，TiOx涂层的断裂韧性优于TiO2–ZnO涂层。在25℃时，TiO2–ZnO涂层的摩擦系数（0.83）显著低于TiOx涂层（1.05），而磨损率较高，主要为磨粒磨损；400℃时，两者摩擦系数差别不大，但TiO2–ZnO涂层磨损率约为TiOx涂层的68倍，且TiO2–ZnO涂层失效。800℃时两种涂层的摩擦系数差异不大，且对偶球表面均发生了物质转移，因TiO2–ZnO涂层表面出现了少量的剥层而磨损率较高。 |
| Other Abstract | 无 |
| Pages | 148 |
| Language | 中文 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/29108 |
| Collection | 固体润滑国家重点实验室（LSL） |
| Affiliation | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 石佩璎. 氧化物/镍基复合涂层设计及高温摩擦学和氧化行为研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2021. |
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