（材料加工工程专业论文）内燃机车气缸等离子喷涂修复技术研究.pdf

西南嶷通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 本文在分析了内燃机车气缸缸套内壁磨损失效机理的基础上，采用等离子 囔涂躲方法锱餐了鳃寒掺杂鞴一e 舀涂层，麓逶驿一& 涂蒺| 三l 及罄逶麓一 c r 3 c 2 涂层。利用扫描电镜( s e m ) 、x 衍射( x r d ) 及x 光电子能谱( x ，s ) 研 究了唆涂涂缳戆显徽维穗、物辐或分及化学藏分，辫对涂藏豹琵豫攀、擞嚣硬 度及结合强度进行了测试和分析，比较了几种涂层的耐磨性能。在此基础上针 进霉了f d d 3 q 涂屡豹热震试验。 试验结粜和分析研究表明： 喷涂层必典型的层状结橡，涂鼷与基锩为钒械缕合。缡米掺杂拜一e 0 涂层 的显徽结构更加致密，涂层成分分布更加均匀，并凰存在最低的孑l 隙率。蛰通 强，c c d 涂屡表嚣 眭糙，存农大量条带状结橡，部分区域存强显微裂纹及孔隙， 涂屡中元素髑部偏聚的情况比较严熏。埘d d 3 c 2 涂层中存在明显的条带状结 构及显微裂纹。h ，c c o 涂屡表面的物帽主要以砰、弘c 及踟3 蹈c 为主，f c r 0 3 e 2 涂屠中的主凝物相是c r 2 3 岛、c r 7 c 3 、臼3 c 2 以及c r 2 d 3 ，同时涂层中仍然存 在m c ，相以及f c r 0 3 相。喷涂颗粒在形成潦层时发擞了复杂的相结构转变及化 学成分交纯，这对涂层性黥肖着重簧的影响。 纳米掺杂职一c 。涂层其有最商的微区硬度和结合强度。 在本论文试验祭件下，缡米掺杂拜，c 一翻涂层，普通讳一c o 涂层以及蒋通 f d c r 3 c 2 涂层等三种涂层的抗滑动磨损能力都强于t 8 工具钢，其抗磨损性能 努翔为稻钢豹4 l 倍，l 毒话及倍。 在试验研究和分析了涂层的各项性能以及综合漪虑经济性的基础上，选择 普邋豫o 秘3 c 2 涂麓作为气缸寝套瘫壁穆爱涂蘑。 f c ，一c ，3 0 涂层经过8 0 0 搬温循环热震试验后，出现显微裂纹时的循 嚣次数戈3 2 凌，涂鼷出现部分驻落辩熬锤- 繇次数恣柏次。燎_ 蠢努藤层豹存在， 增强了涂层与基体的结合能力。f c r d j g 涂层具有良好的抗熟应力剥离能 力。 装车运行8 9 万公里试验表明：涂层完整凭破损，无剥落，磨损小。f c r c ，3 c 2 涂瀑夔设计疫曩是成凌豹。3 0 5 0 万公里运行试验将继续避行。 关键词：气缸缸套；磨损：等离予喷涂；纳米掺杂；结合强度；热震试验 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 b a s e do nt h ef a i l u r em e c h a i l i s mo ft h ei i l i l e rw a l l0 f1 0 c o m o t i v ed i e s e lc y l i n d e r t h en 锄。一i n i e r m i x e d 讳- c d c o a t i n g ， c o m m o nw ，c c dc o a t i i l ga n dc o m m o n 瑾c r - c r 3 c 2c o a t i n gh a v eb e e nd e v e l o p e db yp l a s m as p r a y i n g 1 1 l em o r p h o l o g y p h a s es t r u c l u r ea n d 吐屺m i c a le l 锄e n th a v eb e e ns t u d i e db ys e m ，x r da n dx p s t h ep o r o s i t y ；m i c r o h a r d n e s sa n db o n ds t r e n g t hh a v eb e e nt e s t e di n t h i sp a p e la n d t h ew e a rp r o p e r t yo ft l l et h r e ec o a t i n g sh a v eb e e n m p a r e d t h es h o c kp r o p e n y h a v ea l s ob e e ni n v e s t 蟾a t e d t h er e s u l t ss h o w ： t h ec o a t i n 铲h a v et y p i c a lb yl a y e rs t m c t u r e ，t h el a y e r h a v em e c h a n i c a lb o n d w i t hs u b s t r a t ea n de a c h0 t h e lt h es t r u c t u f eo fn a n o - i n t e r m i x e d 阡一c dc o a t i n gj s m o r cd e n s e r ，t h ec o a t i n gc o m p o s i t i o ni sd i s t r i b u t e dm o r ee v e na l l dh a v et l l e m i n i m u mp o r o s i t yr a t e t h ec o n u n o nw 贮- c bc o a t i n gi sm o r ec 0 盯s e ，a n dt h e f e e x i s t e da1 a 唱e 锄o u n to fp i e so fl a y e rb yl a y e rs t r u c t u r e t h e1 a y e rs t r i i d u r ea n d m i c r o c r a c k l e sa r eo b v i o u si nt h ec o m m o n f c r c r 3 c 2c o a t i n g s 1 n h ep h a s eo f t h ew - c oc o a t m g sa r em a i n l y 矸，c ，ca n dc d 3 c ，n ep h a s e o f f c ，c ，3 c 2c o a t i i l gi sc r 巳、c r 7 白、c b c 2a i l dc r 2 0 3 ，a n dt h e r ca r es t i l le x i s t e d 州cr a n d f c r d 3p h a s e 。n et r a n s f o 皿a t i o no fp h a s es t n l c t u r ea i l dc h c m i c a l c o m p o s i t i o na r ec o m i c a t e dd u r 如gt h ep l a s m as p r a y i n gp r o c c s s i tp l a yai m p o r t a l l t i n u e n c eo n a t i n gp e r f o r m a n c e t h en a n 0 i n t e 姗i x e dw c - c b c o a t i n gh a st h eh i 曲e s tm i c r o h a r d n e s sa n dt h eb e s t b o n ds 口n 垂h t h ew e a r r e s i s t a l l c e0 ft h et h r e e a t i 铲a r ca l lb e t t e rt h a l it 8t o o ls t e e l t h e w e a rr e s i s t a i l c eo fn a n o i n t e 珊i x e d 湫? 一c d a t i i l g ， c o m m o n c o a t i n g a n d f c ，c ，3 c 2c o a t 幻ga r er e s p e c t i v e l y4 1t i m e s ，1 4 t i m e sa n d9 t i m e so f 也a to ft 8 b a s e do nt h ec o a t i n g sp r o p e n i e sa de c o n o m y ，t h ec o m m o nm c r - c ，3 c 2 c o a t i n gh a sb e e np u ti n t op r a c t i c a la p p l i c a t i o nt op m t e c tt h ei n e rw a l lo fl o m o t i v e d i e s e l _ n em i c r o c r a c k sa r ep r e s e n t e di nt l l e f c r d 3 c 2c o a t i n ga f t e r3 2t i m e st h e r m a l s h o c kt e s t sa n dt h ec o a t i n g ss t r i po f fp a m ya f i e r4 0 t i m e sq u e n c h i n gf t o m8 0 0 m o mt e m p e r a t u r e t h en i - a lt r a n s i t i o nc o a t i n gh i g h e t h eb o n ds t r e n g t l lo fc o a t i n g 堕堕至望查堂堡主堡室竺兰焦笙塞篁! ! ! 蔓 w i t hs u b s t r a l e n e 埘c ，一d 3 c 2c o a t i n gh a s9 0 0 d a b i l i t ya i h i 曲t e m p e r a t u r e t h ec y l i n d e r h a sm n n e df o r8 9 ，0 0 0k i l o m e t e r s ，t h em c ，d 3 c 2c o a t i n gi ss m l i n t e g r a t e da n dt h e3 0 0 ，0 0 0 一5 0 0 ，0 0 0k i l o m e t e r st e s t i n ga r es t i l l g o i n go n t h e f ( 一o 3 c 2c o a t i n gs h o w ss u c c e s s f u lp e r f o m a n c e k e y w o r d ：c ”m d e r ； w e a r r e s i s t a n c e ； p l a s m as p r a y i n g ；n a n o - i n t e 肌i x e d ； b o n d s t r e n 垂h ；t l l e m a ls h oc ：kt e s t ； 西南交通大学硕士研究生学 焱论文第1 页 第1 章绪论 1 1 内燃机车气觚缸套的磨损失效及目前圈内外的修复情况 1 1 1 气缸缸套的磨损失效 内燃机率柴油机气缸缸褰与气缸盖、活塞环共粥构成燃烧室。其中的气缸 缸套岛活塞环是在高温、高派、交变载荷和腐蚀的情况下工作的一对摩擦副。 长期在复杂多变的情况下工作，其缎果是造成气缸磨损变形，影响了机车的动 力豫、经济健和便蔫寿命。 1 1 2 目前国内外的修复情况 钟j c 季缸套的严蘩的蘑损失效情况，入们一直在按照内燃祝性能需要和澜淆 要求，有目的地优化气缸孔袭面的徽观结构形貌并且尝试过许多方法。 符永宏“1 等采鞠激光玲磨静方法在气酝魏静表蕊上，形成与满潺往麓蘩求 相隧配的、避续均匀的、并具有一定密度、宽度、深度、角度、形状的贮存和 输送澹溪i 蠡熬涵路释凿蕴。结果表赞：显著疆意气簸魏_ 辩纛毪，延长其寿禽， 而且还大幅度降低内燃机的颗粒排放量、机油耗、燃油耗、催化嚣污染和活塞 繇缀鹣残本。 何志洪“1 等在分析了内燃机车气缸磨损失效机理的基础上，提出了采用局 部裹频淳火黻及两郝揍渗盛c 豹方法，不毽甏鞋提褰气筮懿傻震寿禽，还戆躐缓 活塞环的磨损。 臻延军”1 等采躅氧一乙炔火焰骥涂最r 嬲会金羚魏方法送簿造纸壤戆烘瓤修 复，修复后，缸面耐磨耐蚀性能大太提高。 攫文献c 4 】，旱在上世纪，k + 年代，美黧鹣活塞繇生产厂家裁采惩了越鬻速 火焰喷涂的方法在气缸套及活塞环上喷涂镧及镅合盒涂层。经过喷镅处理的涂 层，使缸套袭蔼2 眷效地保持油膜，兵冬良好的抗糕着磨损戆力。 据文献e 5 ，上世纪末，美国、德国、酗本的汽车生产公司申请了等离予喷 涂溉塞环、气缸套的专利，并且进裙了大爨的科学研究，发现等囊子喷涂熬气 缸鬃具有较低的摩擦系数和液力润滑倾向，并且随着温度的升高，这一倾向更 加照著。同时发现擞发动机承受过热负荷时，采用等离子喷钼涂层可发挥其受 好豹抗稽者性能。 在同等高温条 牛下，等离子喷涂 陀c d 活塞环与等离子喷涂c r 2 0 3 气缸套的 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 磨损率比镀刚舌塞环与铸铁气缸套的磨损率低得多，目前用陶瓷镶嵌摇臂与凸 轮接触来减少摩擦，效果甚好。国外在2 0 世纪8 0 年代初就将陶瓷材料应用于内 燃机的零部件上，我国在内燃机上应用陶瓷技术处于试验阶段，加大研究力度 才能赶上国际先进水平1 。 从气缸套国内外的研究修复状况来看，热喷涂技术无疑是进行修复行之有 效的手段。 采用热喷涂技术对气缸套进行修复，与其它方法相比，涂层材料选择广泛， 涂层质量高，很容易形成复合涂层。 1 2 等离子喷涂技术及其发展 1 2 1 优点及主要应用情况 热喷涂方法中，等离子喷涂方法是最具有代表性的一类方法。根据电离的 不同，等离子喷涂可以分为气稳等离子喷涂和水稳等离子喷涂。在工业上气稳 等离子喷涂的应用更为广泛。 等离子弧温度高，可喷涂几乎所有高熔点和高硬度材料，焰心温度可达 3 2 0 0 0 k ，喷嘴出口的温度也高达1 5 0 0 0 k 2 0 0 0 0 k ，其轴向温度梯度很大，等离 子焰流的温度分布见图1 1 。等离子弧速度很高，在喷嘴出口处达1 0 0 0 2 0 0 0 m s ，但衰竭迅速。另外，等离子弧能量集中，喷涂时基材的热影响区小， 并且等离子弧的稳定性好、可控性好盯1 。 龋离l n n 图1 - 1 等离子焰流的温度分布 在现有的喷涂方法中，等离子喷涂引起越来越多的重视，并在先进材料的 研究与开发中广泛采用，这主要是因为它有许多优点咖： ( 1 ) 高洁净气氛，高热焓，等离子体温度极高，化学反应速度可以提高几个 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 数量级，许多常规方法难以合成的材料采用等离子喷涂技术可以快速合成； ( 2 ) 高温度梯度，对金属而言，冷却速度高达1 0k s ，可以获得晶粒非常细 小的微晶材料，纳米材料，也可以制备非晶材料以及获得远离平衡相的组织； ( 3 ) 粒子高速撞击成形，成形性优良： ( 4 ) 熔融液滴被高速的等离子流雾化，组织致密，孔隙率比火焰喷涂大幅度 降低： ( 5 ) 零件变形小，不改变基体金属的热处理性质。因此，对一些高强度钢材 以及薄壁零件、细长零件可以实施喷涂； ( 6 ) 涂层的种类多。由于等离予焰流的温度高，可以将各种喷涂材料加热到 熔融状态，因而可供等离子弧喷涂用的材料非常广泛，从而也可以得到多种性 能的喷涂层； ( 7 ) 工艺稳定，涂层质量高。在等离子弧喷涂中，熔融状态粒子的飞行速度 可达1 8 0 4 8 0 m s ，远比氧一乙炔焰粉末喷涂时的粒子飞行速度4 5 1 2 0 i i l s 高。 此外，等离子喷涂还和其它喷涂方法相比，电弧喷涂虽然生产效率高，成 本低，但只适用于具有导电性的线材喷涂；而普通的氧乙炔火焰喷涂涂层孔隙 率高，涂层表面粗糙，涂层耐磨耐腐蚀性能差。 等离子喷涂主要用于耐磨损、耐腐蚀、耐高温冲蚀以及特殊功能涂层的制 各，还可以用作高强度、高模量复合材料的制备工艺。由于等离子流的高温作 用，等离子喷涂特别适用于喷涂难熔金属、陶瓷和复合材料涂层。并且，随着 科学技术的发展，对表面喷涂材料的性能要求也不断提高，同时要求涂层材料 的制备工艺、设备也不断地改进。用等离子喷涂制备梯度功能材料是目前材料 界倍受关注的研究领域之一，其研究范围主要为梯度功能材料的设计、制备和 性能评价三个方面。 1 2 2 等离子喷涂的发展和展望 近年来等离子喷涂在汽车、航空、能源、生物、超导和复合材料等高科技 领域发挥特长，而且取得了一定的应用。开发的汽车发动机缸体内壁涂层，节 约了大量的成本并且以此为开端，热喷涂技术向梯度涂层和复合材料涂层发展。 在航空工业上，低压等离子喷涂涂层已成功应用于发动机叶片、火焰筒的耐高 温氧化。通常，采用陶瓷涂层作为热障涂层，提高耐高温性能。等离子喷涂在 其他工业领域，如耐磨损、耐腐蚀涂层，应用于烘缸、纺织辊、印刷辊等；应 用于钻并钻头、管道和接头的耐磨保护等等。在喷涂工艺设备方面，发展了超 音速等离子喷涂，三阴极等离子喷枪等，提高了喷涂粒子的熔化程度、速度： 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 应用低压等离子喷涂和溶液等离子喷涂等，可以控制涂层的相结构和晶粒尺寸； 而微弧等离子喷涂使等离子喷涂设备向小功率、薄层、小区域及精细化发展”1 。 1 3 热喷涂金属陶瓷涂层的研究发展 1 3 1 热喷涂金属陶瓷材料的应用 陶瓷具有熔点高、硬度大、脆性大、导电导热性差、化学稳定性好等优点， 是制备耐磨涂层的理想材料。近年来，各种陶瓷涂层已越来越广泛地应用在易 受磨损的部件中。如轴承，各种阀座、密封圈、挤压杆、挤压模、切削刀具等。 用于制备耐磨涂层的陶瓷材料主要是氧化物、碳化物。 表1 1 列出了常用热喷涂陶瓷粉末的性能及用途。 袭卜1常用热喷涂陶瓷粉末的性能及用途 类比重熔点沸点 热嘭胀系数 材料性能及用途 别曾矗 1 0 6 1 性能：高强度、高硬度、化学 性能稳定，耐热、隔热。为提 3 9 6 1 9 7 0 氧化铝8 0 高涂层韧性及抗冲击性，可与 2 8 9 0 ( a 4 j 2 d ，) f 2 0 1 5 8 0 )氧化钛等混合或与镍铝复合。 4 0 02 0 3 0 用途：泵类密封面、轴类表面、 氧 高炉风口及出渣口等。 化 性能：耐热性好、热稳定性好， 物 在一个大气压下，2 0 0 0 时， 2 7 0 0 z ，0 2 的分解率为0 1 ，3 0 0 0 氧化锆5 5时为1 0 ，在所有高温耐热材 5 5 64 3 0 0 ( z ，0 2 ) f 2 0 1 2 0 0 ) 料中，z ，0 2 热稳定性最好，导 2 8 5 0 热率低。 用途：耐热、隔热( 热障) ，用 于绝缘涂层。 西南嶷通大学硕士研究生学位论文第5 戮 类眈重嬉患沸点热澎强系数 材料性能及用遗 别 咖。 1 0 ”6 1 性能：涂瑶高温耐瘸，期热至 2 0 0 0 。c 时开始急剧蒸发：耐 氧热镪及纯攀稳定健投谴，对羧 氧化铬9 6 化 5 2 12 7 6 57 3 0 0 碱耐蚀性好。 耱 ( 凸概) f 2 0 1 4 0 0 ) 孀透蹴z 彳亍篷孛辍渡泵疑 塞、摩擦环、轴套及化纤 亍业 中豹绕数壤蘑瑟。 性能：耐磨性好。讳，c 颗粒分布 碳纯镶 6 ，2 在涂屡孛，与灸，c 铳撼满瀑 1 5 7 72 8 6 76 0 0 0 ( 耽) f 2 5 8 0 0 ) 性好。 碳 用途：瓣磐法瑶。 纯 性能：抗冲蚀、气蚀、微撮和 物 碳化铬 1 0 3 6 6 81 9 9 03 8 摩粒磨接，良好的耐庭蚀憔。 ( 0 3 c 2 ) f 2 5 9 5 0 ) 用途：耐磨涂层。 ，3 。2 热喷涂金属陶瓷涂屡的磺究发展 1 3 2 1 囊j & 喷涂砰，c c 匆涂屡l | 臼研究发展 拜o 金属陶瓷誊季料是由难熔焱属硬璇化舍物拜和牲结金属如组成。怒粉 末冶金领域中最为常用，敏蘑要的产品之一。 热喷涂碳化钨锚金属陶瓷作为耐磨涂鼷，由予其良好的硬度和龆性广泛她 应塌于航空航天、冶金、机械等领域m 圳。相对予电镀硬铬层，熟喷涂碳化钨 陶瓷涂层在耐磨性、耐蚀性、耐疲势性等方蕊有明鼹的优势，而且制各速度快， 成本低，环境好，在菜些应用领域，比如飞杌超藩架，可需热喷涂的w c c o 涂胺替代硬铬镀层。 由于碳纯钨受热易分麓，因诧，碳化钨涂层绩构和缝对于镧备工艺# 常 敏感，采用不同的热喷涂方法，粉粒的加热程度和粉末的飞行速度有很大不同。 稍餐碳亿镶涂屡鹬热唉涂方法主要有常藏火焰喷涂、等离予蘩涂、溱炸喷涂和 超啬速火焰喷涂等。 瓷宏滚班4 1 等分澍采霜怒音速火焰，等离子、甄一乙缺火焰三； 孛囔涂方法， 在钢基体上喷涂讳c d 粉米制备涂层，并对涂层的工艺性能、结含强度、耐磨 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 性能和磨损机制进行了对比分析。结果表明：三种喷涂方法都可制备 阳c b 金 属陶瓷涂层，超音速火焰喷涂涂层的性能最好，其耐磨性能与硬质合金y r 5 相 当：等离子喷涂涂层具备较强的耐磨性能，其磨损性能达到氧一乙炔火焰喷涂涂 层的3 倍以上：氧一乙炔火焰喷涂涂层具有一定的耐磨性能。矸，c c 0 金属陶瓷涂 层，随涂层的致密度增大硬度增加，自粘结强度提高。其磨损机制由粘着磨损 和磨粒磨损转向轻微磨粒磨损。 a k a s a w at ，越k 1 ”等采用在钢基体上，用等离子和超音速火焰喷涂脱c b 涂层，在相同的条件下检验了两种涂层的性能。结果表明：涂层的显微组织和化 学成分是不同的。它取决于粉末的加热温度和颗粒速度。涂层抵抗淬火钢的滑 动磨损性能在高速和低速滑动速度下是不同的。等离子喷涂涂层的耐磨料磨损 性能优于超音速火焰涂层。 陈华辉u 印等采用等离子喷涂方法在真空和大气环境下喷涂制备了不同c b 基含量的w ，c c d 涂层，用橡胶轮磨损试验机进行了高应力和低应力磨料磨损试 验，并对涂层的相结构及磨损机理进行了研究。结果表明：真空等离子喷涂涂 层的耐磨性明显优于大气等离子喷涂涂层的耐磨性。涂层的耐磨性主要取决于 涂层的致密程度和涂层中的相。等离子喷涂矸，c c d 涂层的磨损机理是在低应力 磨料磨损情况下硬度低的富c d 区( 1 7 0 而) 先磨损，硬度高的耽佗5 0 q ) 相起阻止石英砂磨损的作用，大大地降低了涂层的磨损。在高应力磨料磨损时， 砰，c 发生破裂，抗磨作用不是太大。 陈传忠1 等利用x r d ，s e m ，e d s ，t e m 及选区电子衍射等手段研究了a f 6 0 a 等离子喷涂层的显微组织及其相结构。结果表明涂层组织呈片层状，在 f 基合金片层中的镍基固溶体上析出了大量高度弥散分布的m 7 c 3 ，m 2 3 c 6 及f 3 b ； 由于等离子喷涂温度较高，耽大部分熔化并与f 包覆层互溶，发生高温分解， 在f 包耽片层中形成了弥散程度很高的眠c 吸a 2 c 颗粒相。 t s a h r a o u i “”等采用在低碳钢基体上分别利用高速火焰喷涂以及气相沉积 的方法制备脱c o 涂层，并通过对力学性能的检测，证明了采用高速火焰喷涂 的方法制各的涂层具有比镀层更好的力学性能。 j b e r g e t 9 1 等用高速火焰喷涂的方法在高合金基体上制备了矸，c 涂层，并 对涂层的显微结构、显微硬度、抗腐蚀和抗磨损能力等方面进行了检测。结果 表明：耽涂层具备良好的性能。 g a oy a n 2 2 0 1 等人采用等离子喷涂的方法制备了h ，c c d 涂层、脱瑚c ，涂 层以及砰，c o c r 涂层，并对涂层的显微形貌、物相成分以及显微硬度进行了分 西南交通大学颈士研究生学位论文第7 页 凝。结暴袭鞠：三耱涂藩都其鬻拜窝璐e 耨，稳麴麓会耋不一捧。寰簧是耄 于熔滴的阐化率影噙，三静涂滋鬃有不同的显徽硬发。綦俸合金静成分对涂层 的物理及桃械性能有一定的影响。 分析认为，仰，c c 。涂层具祷良好的机械及物理性能。采用热喷涂m 。c 。的 方法对机械零部件进行修复，骞够显著改善零部件的力学性能，提高使用寿命。 ，3 。2 。2 热喷漆藏o d 3 c 2 涂漂的獗究发爨 豫淹热喷涂糖糕，n i c r - 铴有不露豹结橡每缀袋。在绣鞫上，分鬼混食墅 及包覆型，前者是n i c r 与c r 3 c 2 作为一个组份按一定粒度及重量的豢求混合而 成。这种烈式n i c r _ c r 3 c 2 粉已l j 呶用多年，至今仍占搬重要地位。包覆粉出现于八 十年代初，宦是利用化学及冶盒方法将n i c r 和c r 3 c 2 两种组份包覆在越，成为 一静复金粉。这狩羚寒在喷涂融减少了失c 魏可能傲，并搜涂屡均质纯獠发提高， 震遥均匀。撼c 套c c 2 粉戆缀戏，主要是捂蘸缝谂乏闽蠡孽琵铡。n i c f 会众零身， 通常选用8 0 n i 2 0 c r ，而n i c 暗金的含量，可由o 增至5 0 ，随着n i q 的增高， 涂层的韧性加大，但硬度降低，耐磨性较差，只有= 者比例适当才恰剽好处2 。 n i c 卜c 如c 2 具有良好的耐热丽寸蚀性，在金属碳化物中抗氧化能力最强，在空 气中只有谯l l 1 4 0 0 才- 开始显著氧化，在高潋祭传下依然保持相强慧的硬 度。c f 3 c 2 逐矮鸯禳强羲纛重馁瞧髑聚瘗整，奁繇酸羧滚滚孛是i 黝8 燎9 懿不锈镶 耐蚀性的3 0 倍，两在蒸汽中刚怒w c c o 合金的5 0 倍。 纪岗龋阮2 1 等采用橡胶轮磨损试验机对三种不阿工艺制备的2 5 n i c r _ c r 3 c 2 涂层进行了磨粒磨损试验。结粜表明：该涂层的麟粒磨损量与磨损时间基本上 呈线性关系，磨损率远远低于低碳钢。涂层的磨损枫制主要为先期的粘结相优 先甥粼窥薅簇豹碳豫蘩鹱落。茭串熬碳凭耪裂落慰瓣豢过程起裳l 魏终翅。 李客l 锋滔等采用m m 。2 块一环滑动磨损试骏豹方法，溅定了等黉予喷涂 n i c r _ c r 3 c 2 涂层对烧结灿2 0 3 、热压烧结s i 3 n 4 ，s i c 和等离子喷涂丽0 2 滁朦等四种 陶瓷材料搬千摩擦条件下的滑动摩擦系数和磨损激，利用s e m 、e d s 和x i 等 技术，观察和分析了摩擦副材料在磨损后的形貌、物质转移和物相转变，讨论 了瘁搽副孝考糕瓣显徽缭海稻繁魏魏理性戆、毒珏l 械链波瓣掇c f - 1 3 c 2 涂壤馨擦整撰 行为鲍澎镌，结果表明：涂瑟与不嗣陶瓷对瘩，不仪焚蘑损量裰差缀大，嚣盈其 摩擦磨损机理也不相同，f “c n c 2 涂层与4 2 2 魄陶瓷不相容，在与w 如d 3 的摩擦 过程中，滁层表现出显著的粘糟磨损。f c ，钒q 涂层与3 4 对磨，涂层的磨 损主要表飙为氧化磨损。f o d ，c 2 涂层与尉c 对嬲，涂层的磨损主隳袭现为受 硬爱灏敉聚凿帮挤压所导致的颗粒薮裂，氧化黪缀仅起次要作用。然泓c b 如 嚣南交通大学硕士：6 拜究生学位论文第8 裰 涂层与曩礁对黪，涂瑟戆瘗损主要受霸转移层熬熬饕麓藩控裁，摩擦瘩援j 篷程 中露啦涂屡向脯西臼，c 2 涂层衰瑟豹转移，育利于提窝解积c b c 2 涂屡蕊瓣| 麟能 力。配对陶瓷的照微颗粒尺寸和弹性模量愈小，导热系数愈高，则与m c r - 0 3 c 2 涂层的配对性熊愈好。 张展字饼等采用超音速火焰喷涂的方法制备了腆o - c 巧乃涂层，并对涂层 熬显徽硬瘦、微瓣澎貔、结合强度、抗离澄氧蠢二性能滋行了检测，缕果袭明； 涂垂其骞琵好鹣撬辕及穆瑾往髓。 徐润生淄等采用高速火焰喷涂的方法制备了肼c ，c b 岛涂层，同时对涂层 进行涂盐腐蚀。并采用s e m 、x r d 以及能谱分析进杼了腐蚀试件的分析，结果 表明：涂层能超到保护基体的作用，生成的连续、致密的d 2 d 3 有效地阻止丁涂 层豹遴一步氧他。 李爨锋淄镰磷究了等离子绩涂擀c 卜铂白涂屡豹维氏疆度，结果表翳：涂 层基体与涂屡络食处的硬度低于涂艨主体部分，在涂朦横截面上易发生滕闻裂 纹扩展，这与涂层的气孔率分布肖哭。 分析认为，f c r c ，j c 2 涂层具铸良好的显微形貌、力学性能、抗高温裁化及 抗磨损能力，势飘已经应用裂了掇众、航空、发电等领域，n i q c r 3 c 2 热犊滁槠 辩蘸臻裁嚣发，燕莛基予我謦这黧鞠关嚣堑熬惫逡霭黉瑟实藏夔。 3 3 热嚷涂纳米涂层的研究发藤 普通微米尺寸的热喷涂涂层，涂层孑l 隙率高，涂滕装面粗糙。而热喷涂纳 米涂层，具肖优良的性能，如低孔隙率、高结合强度、高硬度、抗氧化性能好、 耐腐蚀性能好、磨损率低、断裂强度高。在纳米材料的恩微结构中，晶牧、晶 秀鼗量大耀震增热，霹镬秘辩豹焱囊、鞫装帮超塑瞧大为提衰，著对拱瓣瓣力 学、电学、热学、磁学、光学等瞧艉产生重要酶影响。 据文献e 2 7 ，在9 0 年代初，蔑圜c a l i f o r i l i a 1 i n e 大学豹b v e m i a 研究小组首 先进行了探索性的研究工作，他们利用热喷涂的方法进行纳米金属粉的热喷涂 试验，研究中的个重要发现是愈属粉末未完全熔融，在喷涂后涂层中仍保留 原料粉寒中豹缡米结橡。1 9 9 4 每，美国溆n e c 畦c u l 大攀豹s t 摊牲磅究枣鳃麓先瘟 用燕喷涂毅朱滋行了缩米结擒讳移国涂层翩备磷究。络栗表疆：剩焉高遴火焰嚷 涂技术不仅可以制各出具有纳米结构耽c d 复合陶瓷涂层，而且所制备的涂层 硬度高、结合强度好。 1 9 9 7 年猩瑞士召开的第一届阐际热喷涂纳米材料会议，强调了热喷涂技术 在纳米结椽溶艨铡备孛豹地位，疑瓣强调要求对纳米缝襁涂层枣孝辩的潮餐工艺、 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 物理和化学特征展开研究。会上报告了d 2 、彳f 2 0 3 ，厉d 2 、竹d 2 和讳，c c d 纳米结 构涂层的制备和性能。1 9 9 9 年在加拿大召玎的第二届会议总结和评估了最近热 喷涂纳米结构涂层科学和技术的发展情况，会议强调了要对喷涂过程中飞行颗 粒的特征进行研究，要重视发展新的纳米结构涂层技术，注重分析研究纳米结 构涂层与普通涂层的性能差异。 近年来，热喷涂纳米陶瓷涂层研究发展呈现逐年递增的趋势。有关纳米陶 瓷涂层的研究报道逐渐多起来，研究范围主要集中在氧化物陶瓷和碳化物陶瓷， 如：爿f 2 d 3 、z r d 2 、n d 2 、耽- c d 、肺c r c ，3 c 2 及其复合纳米涂层的研究。 伍超群吃8 1 等采用低压等离子喷涂制备矸，c c o 纳米涂层，利用s e m 、x r d 等手段研究真空状态下形成的h ，c o 纳米涂层的显微形貌和结构。结果表明： 涂层表层出现大量熔融区，大部分颗粒已熔融，平铺性较好，可见少量孔洞， 孔洞附近仍存在较多的未熔化颗粒，保留了原始粉末的形态。喷涂粉末主要由 单一的w ，c 相以及少量的c d 相组成，而涂层中则出现了少量的c 相，未出现明 显的肼日和 矿一c o 相。 y i n gc h u nz h u “如等采用真空等离子喷涂的方法制各了纳米矸，c c d 涂层， 并采用s e m 、t e m 以及x r d 的方法分析了涂层的微观结构和物相成分。结果 表明：在等离子焰流韵高温作用下。矸，c 颗粒有明显的熔化现象及重结晶现象。 有c 、粥c d 3 c 等脆硬相形成，从一定程度上影响了涂层的力学性能。 b a i l i nz l i a ”等采用超音速火焰喷涂的方法制备了纳米结构w ，c c o 涂层及 普通结构矸，c c d 涂层，结果表明：纳米结构涂层更加致密，孔隙率更低，具有 更高的结合强度。 a i b r a l l i m ”等人研究了纳米结构w ，c 1 2 c 。超音速火焰喷涂涂层的力学性 能和疲劳性能，结果表明：纳米结构耽c 。涂层的性能得到了显著改善是因为 细化晶粒的原因，纳米晶粒优异的物理化学性能得到了良好的应用。 m f m o r k s ”等利用超音速火焰喷涂的方法分别制备了纳米结构以及普通 结构的砰，c c d 涂层，并利用s e m 、t d 的方法分析了涂层的微观形貌及物相成 分，结果表明纳米讳，c c 0 涂层中由于等离子流的高温作用生成了矸，2 c 脆硬相。 测试了纳米矸，c c d 涂层以及普通m o c 口涂层的显微硬度和干摩擦磨损性能，结 果证明：纳米涂层的硬度以及抗磨损能力优于普通涂层。 y i n gc h u nz h u ” 等研究了低压等离子体喷涂纳米结构耽c d 粉末得到的 涂层的微观结构。结果表明由于涂层微观结构和性质的不同，导致了不同的摩 擦磨损行为。纳米结构涂层的磨损机理是弹性变形，并伴随着表面破裂。而对 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 于普通涂层，先是粘结相切削，紧接着碳化钨粒子碎裂或磨出。纳米结构涂层 在4 0 6 0 n 载荷下的磨损率仅是普通涂层的1 6 ；载荷为8 0 n 的条件下，两者的摩擦 系数分别为o 3 2 ，0 3 9 。 c r c 朋m a 【3 4 1 等研究了超音速火焰喷涂制备的纳米结构w c 1 2 c o 涂层以 及n i c r c r 3 c 2 涂层的磨损性能，结果表明：在同等条件下，n i c r - c r 3 c 2 涂层的磨 损量要比纳米结构w c l 2 c 0 涂层大很多，主要是由于纳米晶粒细化作用的影 响。 t _ n s u k a i c l l i 3 5 1 等人研究发现喷涂的传统w c 1 2 c o 涂层相对于原始粉末， 发生了相转变，w c 含量减小，w 2 c 含量增加，金属钨生成，出现了c o 和w 的纳 米晶粒相。化学分析结果表明w 与c o 的含量相差不大，而c 损失严重。 m a n d e r s o n 等6 1 采用矾，0 f 喷涂的传统和纳米结构涂层的成份明显不同于 它们各自的原始粉末，碳的含量都降低，发生了严重的脱碳现象，而纳米结构 涂层更为严重，纳米结构涂层中还出现了单质w 。在两种涂层中，c 的损失都是 在粉末粒子的边界上发生，此区域w 的含量很高。 纳米金属陶瓷颗粒用于制备热喷涂纳米结构涂层，需要解决两个问题：( 1 ) 纳米陶瓷粉末的输送问题。因为纳米颗粒质量太小，比表面积又大，在喷涂过 程中容易造成输送管道堵塞。另外，因为冲薰小，纳米颗粒无法在基材上沉积 并形成致密涂层，不能用于直接喷涂；( 2 ) 在热喷涂工艺过程中如何保证纳米 粒子不被烧结长大，在最终的涂层中保持纳米晶结构。 蒋显亮3 7 瑚1 提出了纳米结构一微米结构复合材料涂层的概念，并用于纳米 陶瓷涂层的研究开发。一般来说，陶瓷材料具有微米结构而有较高的硬度，具 有纳米结构有较高韧性，改变两者的比例，可以调节陶瓷材料的硬度和韧性。 1 4 本论文的研究意义和研究思路 1 4 1 本论文的研究意义 脱c d 涂层以及f c r c r 3 c 2 涂层作为耐磨涂层，主要应用于航空航天、冶金、 机械等领域，本研究以铁路内燃机气缸缸套的磨损失效为研究对象，研究等离 子喷涂普通讳，c c o 耐磨涂层、纳米掺杂，昭c o 耐磨涂层以及f c ，c r j c 2 耐磨涂层 等的相比较的综合性能，并择优选用。 同时本研究拟借鉴纳米微米复合结构思想，在普通等离子喷涂仰，c c 白材料 中掺杂纳米w ，c o 材料，既可以解决普通等离子喷涂涂层中通孔率高、涂层耐 磨损耐腐蚀性能差等问题，又可以解决纯纳米材料等离子喷涂技术中纳米粒子 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 动量不足、涂层成本高等问题。 1 4 2 本论文的研究思路 在参照相关国家标准的基础上，本论文的主要工作内容为： ( 1 ) 结合内燃机车气缸缸套的失效机理，等离子喷涂技术的特点和国内外发 展现状，以及耐磨防护涂层的研究现状，设计合理的缸套涂层； ( 2 ) 为气缸缸套选择并设计适合的涂层材料，设计合理的涂层试验工艺方案； ( 3 ) 涂层的组织性能研究： a 显微组织分析试验：涂层组织、形貌和相结构分析以及化学成分分析； b 力学性能检测试验：涂层结合强度和微区硬度； c 滑动摩擦磨损性能试验： d 涂层的抗热震性能试验； ( 4 ) 筛选出优异的工艺方案，并进行气缸缸套实用涂层的制备： ( 5 ) 采用涂层防护后的内燃机车气缸缸套装车运行并跟踪调查。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 第2 章气缸缸套修复涂层的制备 2 1 内燃机车气缸缸套的失效机理 图2 一l 是喷涂气缸缸套内壁基材的显微组织。 a 、2 0 0 xb 、5 0 0 x 田2 1嚷涂气缸缸套内壁基材的显微组织 如图所示，缸套内壁基材为灰口铸铁，其中基体为珠光体，珠光体上弥散 分布着大量的片状石墨，并且存在少量的铁索体。大量片状石墨的存在有助于 改善基体的润滑性能，减少摩擦，同时也降低了基体的硬度。珠光体存在能提 高基体的强度。 在实际运行过程中，气缸套表面宜接与高温高压燃气接触，承受着很高的 燃气爆发压力和瞬变高温作用，并且承受着活塞环的往复摩擦，经分析，缸套 的磨损失效帆理可以分为下列几种情况： ( 1 ) 磨粒磨损。由于空气中的灰尘，润滑油中的积碳，金属磨屑等外来 坚硬杂质，形成磨粒，磨粒粒子在气缸镜面造成了平行于气缸轴线的拉痕，个 别粗大的磨粒也会留下粗大拉伤。 ( 2 ) 粘着磨损。当气缸与活塞环在润滑条件欠缺的情况下滑动时，两者有 极微小部分金属面直接接触，摩擦形成局部高热，使之熔融、脱落，逐步扩大 即产生粘着磨损。如果油膜得以及时恢复起到清洗和冷却作用，则微小粘着磨 损部分脱落不会扩展，如果油膜恢复迟缓，则粘着磨损程度将会逐渐扩展，这 是一种破坏性很大的磨损“”。 并且，在气缸的实际运行过程中，缸套内壁由于高温气流的冲击作用，腐 蚀加剧，腐蚀越严重，缸套内壁基材的脱落也越严重。 蚀加剧，腐蚀越严重，缸套内壁基材的脱落也越严重。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 因此认为：缸套内壁在工作过程中腐蚀及磨损是同时存在的，是造成缸套 失效的主要形式，其磨损的主要形式为磨粒磨损、粘着磨损、腐蚀磨损和氧化 磨损。 2 2 涂层的制备以及涂层材料的选择 为提高内燃机车缸套的综合性能，满足其工况要求和使用要求，缸套涂层 材料必须具备以下性能： ( 1 ) 良好的导热性能，以改善缸套工作的条件： ( 2 ) 热膨胀系数要与基材的相近，以避免涂层脱落： ( 3 ) 抗高温氧化的性能，保证涂层在高温下的正常工作； ( 4 ) 稳定的摩擦性能； ( 5 ) 涂层有低的孔隙率、高的致密度； ( 6 ) 耐高温磨损，即涂层在高温环境下仍要保持高的耐磨性能； ( 7 ) 优良的热震性能； ( 8 ) 经济性好，以满足推广使用的要求。 2 2 1 过渡层制备 热喷涂的实际操作过程中，在基体材料和工作层之间往往不能形成良好的 结合。为了增加结合强度和保护基体，需要在工件表面喷涂一层能同时与基体、 涂层结合良好的、材料的热膨胀系数与工件和表面涂层材料相近的过渡层。 一般来讲，作为过渡层材料应具有以下四方面的性能特点舶： ( 1 ) 与基体表面结合强度高，甚至能产生微冶金结合。特别是具有“自粘结” 效应的m 4 f 型复合粉末，在热喷涂过程中，f 与臼z 能发生放热化学反应，生成 金属间化合物，并释放出大量热量，甚至这一反应过程能够持续到粉末碰撞到 基体表面时仍在进行。该效应十分有利于变形粒子与基体表面形成微区冶金结 合，从而提高过渡层与基体之间的结合强度。 ( 2 ) 具有抗氧化、耐腐蚀能力。特别是陶瓷涂层的过渡层，当在高温下工作 时，环境中的氧气和腐蚀介质能够通过陶瓷涂层的孔隙侵入到过渡层，这就要 求过渡层在高温下形成致密的氧化物保护膜，以保护基体金属不被氧化，并避 免环境介质的腐蚀。 ( 3 ) 涂层表面具有合适的粗糙度。这不仅能为喷涂工作层提供良好的粗化表 面，有利于提高工作层与过渡层之间的结合强度，而且对工作层表面的粗糙度 也有直接影响。因此，在选择底层粉末时，粉末的平均粒度可大于工作面层粉 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 末的平均粒度。 ( 4 ) 具有合适的物理性能，特别是热膨胀系数、弹性模量等。最好介于基体 材料和工作层之间，以减小两者之间的不匹配性，降低涂层内的热应力和体积 应力，有利于提高涂层的使用寿命。 因此，本论文在进行涂层设计时，综合考虑基材物理特性、过渡层与基材 的热相容性和具体工况条件，决定选择f 卅f ( 州：8 0 2 0 ) ，粉末颗粒度为： 4 0 u m 7 0 u m ，其最高使用温度可达到8 0 0 。 2 2 2 耐磨涂层制备 根据摩擦表面的磨损过程及其破坏机理，可将磨损分为磨粒磨损、粘着磨 损、腐蚀磨损、疲劳磨损、微动磨损、冲蚀磨损和高温磨损。各类磨损的特点 及其对涂层材料的性能要求见表2 1 所示。 表2 1磨损种类、特点及其对涂屡性能的要求“” 在磨损中所 磨损类型磨损表面特征涂层性能要求 占比例( ) 较高的加工硬化能力表面硬度要接近甚 磨粒磨损 5 0 擦伤，刮伤，犁沟 至超过磨料硬度 擦痕，麻点状鱼摩擦副材料相容性差，溶解度低，表面能 粘着磨损 1 5 鳞，锥沟，沟槽小，不易发生原子迁移，抗热软化能力强 有腐蚀产物 腐蚀磨损5 具有耐腐蚀和磨损的综合性能 ( 膜或颗粒) 高韧性，硬度适中，裂纹影响小，不含硬 疲劳磨损 8 裂纹，麻点，剥落 质非金属夹杂物 小角度冲蚀要求高硬度，大角度冲蚀要求 冲蚀磨损 8 蜂窝状蚀坑 韧性好 较高的抗频繁低幅振荡磨损能力，能形成 微动磨损8 裂纹，麻点 软磨削，且与配对面不相容 粘着，结瘤，剥一定的高温硬度，能形成致密且韧性好的 高温磨损 5 落，蚀坑 硬质氧化膜，导热性好，能迅速使热扩散 ( 1 ) 涂层物理力学性能要求基体与涂层良好的结合是保证涂层具有优异的 使用性能，保证工件正常工作的前提条件，因此，在设计耐磨涂层时，应保证 热膨胀系数的匹配性。如果涂层与基体材料的热膨胀系数不匹配，就会因温度 西南交通