电火花沉积陶瓷涂层及其性能研究

论文摘要

随着电火花加工技术研究的日益深入，利用脉冲放电加工原理，在零件表面沉积陶瓷涂层是一种新的表面处理方法。与传统的表面改性技术相比，该方法不需要昂贵的设备，工艺简单，涂层结合强度高，工具电极选材广泛，可制备各种不同性能的涂层，极具应用潜力。采用FD300电火花成形机床，分别选用TiC/WC/Co掺杂CeO2半烧结电极和硬质合金CD650、UK12、YT15、YT30对45钢进行了表面改性处理。采取了粉末冶金工艺形式制作工具电极。研究了脉宽、脉间、电流和加工时间等工艺参数对沉积涂层的厚度和粗糙度的影响规律。设计正交交互实验，分析了不同工艺参数对电极的蚀除和传质规律的影响。采用FSEM+EDS能谱扫描，X射线衍射检测分析了涂层的成分和结构。用摩擦磨损试验和电化学腐蚀试验分析了涂层的耐磨性和耐腐蚀性。实验结果表明，当其它工艺参数一定时，涂层的厚度分别随脉宽增大和加工时间变长，而增大。但涂层厚度有饱和性。采用小脉宽，小电流进行精加工，涂层的厚度在1015μm之间，粗糙度在2μm左右，沉积片较小且有规则，接近于圆盘，显微裂纹少，此时沉积效率也较大。涂层的显微硬度从表层到基体梯度过度，过渡区域的显微硬度仍高达于基体硬度的2倍。涂层的耐磨性能和耐蚀性能均显著高于45钢基体。随着电极中CeO2含量的增加，涂层的耐磨性能和耐蚀性能均呈先提高后下降的趋势，当添加1.5wt%CeO2时，耐磨性能最好，涂层磨损体积与45钢基体的磨损体积相比下降了63.2%。当添加1wt%CeO2时，耐腐蚀性能最好，涂层自腐蚀电位提高了157.9mV，涂层腐蚀电流密度下降了一个数量级。分析表明从涂层到基体，Ti、W、Fe、C元素的分布是逐渐过渡的。电极材料与基体材料在高温发生冶金化学反应，实现冶金结合。涂层中主要的物相有TiC、Ti8C5、W2C，少量的CoFe、Fe2W2C。在电极中添加适量的CeO2可以减少显微裂纹等缺陷，改善涂层的致密度，提高涂层的耐磨性能和耐蚀性能。过量的CeO2反而会导致涂层的耐磨性和耐蚀性能下降。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 表面改性技术
• 1.2.1 气相沉积技术
• 1.2.2 高能束表面强化技术
• 1.2.3 热喷涂与热喷焊技术
• 1.2.4 热渗镀
• 1.3 电火花表面改性技术
• 1.3.1 电火花表面改性技术分类
• 1.3.2 电火花改性技术的特点
• 1.3.3 电火花改性技术的研究现状
• 1.4 稀土表面改性机理和研究现状
• 1.4.1 稀土材料改性机理
• 1.4.2 稀土表面改性研究现状
• 1.5 主要研究内容
• 第二章 电火花加工原理及实验方案
• 2.1 电火花加工的物理本质
• 2.1.1 介质电离与击穿
• 2.1.2 通道形成与能量传递
• 2.1.3 材料抛出与消电离
• 2.2 影响脉冲放电加工的因素
• 2.2.1 极性效应的影响
• 2.2.2 脉冲放电参数的影响
• 2.2.3 其它影响因素
• 2.3 实验专用工具电极研究
• 2.3.1 工具电极的分类及选材
• 2.3.2 粉末冶金原理
• 2.3.3 工具电极的制作工艺研究
• 2.4 电火花沉积陶瓷涂层实验设备
• 2.4.1 电火花加工机床特性
• 2.4.2 实验中加工工艺参数的选取
• 2.4.3 电极和工件的装夹与定位
• 2.5 本章小结
• 第三章 陶瓷涂层的形成规律研究
• 3.1 放电沉积涂层厚度规律研究
• 3.1.1 电参数对沉积涂层厚度的影响
• 3.1.2 其他参数对沉积涂层厚度的影响
• 3.2 陶瓷涂层的粗糙度变化规律研究
• 3.2.1 电参数对涂层粗糙度的影响
• 3.2.2 其他参数对涂层的粗糙度影响
• 3.3 陶瓷涂层中的应力和显微裂纹
• 3.3.1 产生显微裂纹的主要因素
• 3.3.2 稀土掺杂对涂层裂纹的影响
• 3.4 蚀除和传质规律研究
• 3.4.1 粒子的运动规律
• 3.4.2 蚀除及沉积效率研究
• 3.5 本章小结
• 第四章 陶瓷涂层的形貌与组织分析
• 4.1 陶瓷涂层的表面形貌
• 4.1.1 单脉冲沉积形貌
• 4.1.2 多脉冲沉积形貌
• 4.2 陶瓷涂层表面能谱分析
• 4.3 陶瓷涂层截面能谱分析
• 4.4 陶瓷涂层表面的物相分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 陶瓷涂层的硬度、耐磨性和耐蚀性
• 5.1 陶瓷涂层的硬度
• 5.1.1 硬度测量方法及仪器
• 5.1.2 涂层的硬度
• 5.1.3 稀土对涂层硬度影响
• 5.2 陶瓷涂层的耐磨性能
• 5.2.1 摩擦磨损实验及设备
• 5.2.2 稀土对涂层的耐磨性能影响
• 5.3 陶瓷涂层的耐蚀性
• 5.3.1 电化学腐蚀实验及仪器
• 5.3.2 涂层的耐蚀性能
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论和展望
• 6.1 本文主要结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录
• 个人简历
• 在学期间发表的学术论文