自修复硅氧烷/NiAl-NiCr-Cr3C2多层梯度复合涂层结构调控及荷温耦合作用失效机理研究

To meet the requirements of the protective coatings on mold copper plate for slab in continuous casting with the adhesion strength, erosion resistance, high temperature oxidation resistance and corrosion resistance, the design of a new HVOF multilayer gradient composite coating containing NiAl transition layer, NiAl-NiCr-Cr3C2 composite gradient layer and Ce(NO3)3 self-repairing Al-Si silicone sealing composite film was proposed. The research on the interfaces between coatings and substrates, ceramic-metal gradient spraying layers, microstructures and interface structures of inorganic-organic polymer sealing layer was used to clarify the nature of the composite coatings with the strong bonding strength, loading capacity, fracture toughness and other mechanical properties. To make clear the effects of structural evolution of each phase, diffusion and reconstruction of interface atoms on the friction and wear, erosion behavior and on the mechanism of muti-scale damage and failure mechanism of the composite coatings under both load and temperature, the research was carried out on the self-repairing silicone coating-metal ceramic gradient composite coating under the condition of load, temperature and the interaction of corrosion media. The results will obtain the suitable preparation theory and technology for composite gradient coating on mold copper plate, which will make a contribution to enrich the theory of surface engineer and hard protective coating and provide the base of the theory and application.

面向连铸结晶器铜板对防护涂层的结合强度、抗冲蚀磨损、抗高温氧化和耐腐蚀性能非常苛刻的需求，提出包含NiAl过渡层、NiAl-NiCr-Cr3C2复合梯度层、Ce(NO3)3自修复铝硅复合硅氧烷封孔处理层的新型HVOF多层梯度复合涂层的设计方法。研究复合涂层-基体界面、陶瓷-金属梯度喷涂层、无机-有机高分子封孔层微观结构和界面结构的生成规律，阐明复合涂层高结合强度、承载能力、断裂韧性、耐磨性等力学性能的本质；研究载荷与温度、腐蚀介质耦合作用下，自修复硅氧烷涂层-金属陶瓷梯度涂层/基体中各相晶体结构演变、界面原子扩散和重构规律，及其对摩擦磨损、腐蚀冲蚀的影响规律，探索复合涂层在荷温耦合作用下的跨尺度损伤机制及失效机理。研究成果将获得适宜于连铸结晶器铜板的复合梯度涂层的制备理论和制备工艺，对丰富表面工程和硬质防护涂层理论具有重要学术贡献，为解决相关行业难题提供理论和应用基础。

本项目面向连铸结晶器铜板对防护涂层的结合强度、抗磨损和耐腐蚀性能等苛刻的需求，采用超音速火焰喷涂方法制备了Ni基过渡层、NiCr-Cr3C2复合梯度层、Ce(NO3)3自修复铝硅复合硅氧烷封孔层的新型HVOF梯度复合涂层。本项目对梯度涂层的粘结层进行了设计；对梯度涂层进行了退火处理以解决涂层与涂层以及涂层与基体间的界面结合问题；采用溶胶-凝胶法合成制备了Ce(NO3)3改性铝硅复合硅氧烷封孔层，并研究了荷温耦合与腐蚀磨损工况下涂层的作用失效的基本规律。研究结果表明：通过对不同粘接层进行设计以及涂层成分比例的研究，并结合其性能以及高温退火等后处理方法，不同的粘接层会导致涂层具有不同的结合强度、磨损性能和腐蚀性能，其中以NiCr为粘接层的梯度涂层具有最好的性能，且高温退火处理后粘结层与铜基体之间形成微区冶金结合，使得结合强度明显提升（大于70 MPa），相关腐蚀以及磨损性能也得到了提升，该研究确定了梯度涂层的体系结构以及热处理工艺。采用溶胶-凝胶法制备了Ce(NO3)3改性铝硅-硅氧烷复合封孔剂，研究了封孔剂的成分、结构与耐热性。利用涂刷法在涂层上制备了封孔层，分析了封孔前后涂层的微观组织结构，并探究了其耐腐蚀性能。Ce(NO3)3的添加在一定程度上可以提高封孔剂的耐热性。封孔涂层的耐腐蚀性能随着Ce(NO3)3含量的增加先增强后减弱；采用高温摩擦磨损和腐蚀磨损实验来探究该封孔剂的作用机理。Ce(NO3)3在高温磨损中可以起到润滑效果，提高封孔涂层的耐高温磨损性能；载荷较小(5N)时，封孔剂具有较好的减摩耐磨作用，但随着载荷增加封孔剂的减摩效果变弱；在腐蚀磨损过程中适量的Ce(NO3)3有助于提高封孔涂层的耐腐蚀磨损性能。本研究获得了复合涂层-基体界面、无机-有机高分子封孔层微观结构和界面结构的生成规律，阐明了复合涂层高结合强度、耐磨性等力学性能的本质；研究了载荷与温度、腐蚀介质耦合作用下，自修复硅氧烷涂层-金属陶瓷梯度涂层的损伤机制及失效机理，获得了适宜于连铸结晶器铜板的复合梯度涂层的制备理论和制备工艺。