氧化铈在镍钴钨合金粉末成形及高温耐磨涂层中作用机理研究

The study that follows is an attempt to form a protective coating on components whose surface is submitted to severe conditions at high temperature to obtain wear and corrosion resistance and full benefits of the properties of coatings. In this work, a set of NiCoWRE alloy powders will be produced by bipolar coupler rapid solidified gas atomization in low vacuum condition. NiCoWRE alloy coatings will be produced by plasma spraying. The microstructure, phase structure of the NiCoWRE alloy coatings were investigated with a XRD, SEM, EPMA, FEGSEM, EDS, XPS and DTA. This project also studies the active mechanism of CeO2 on powder forming, microstructure, chemical component and properties of alloy coatings. In addition, effects of CeO2 on the mechanical properties, friction and wear characteristics will be studied by the way of examining and evaluating in hardness, wear resistance and corrosion resistance. The aim of this study is mainly focused on relationship between the structure and properties of the coatings by adding CeO2, the mechanism of high temperature lubricating coating is also investigated. Expectively, the advantage of the improved alloy system is that the service life of materials and parts is extended thus providing economic benefits. Especially the alloy can be applied for parts employed in hostile environments at high temperature such as valves, tools, coal-fired oilers, heat exchangers, turbines, etc.

为使高温磨蚀等苛刻使用条件下零部件持久稳定工作，减少维修及停工损耗，节约能源和减少材料消耗，本项目采用双极耦合快凝低真空雾化法制备NiCoWRE合金粉末；通过等离子喷涂方法制备高温耐磨涂层，借助XRD、SEM、EPMA、FEGSEM、EDS、XPS和DTA等分析手段深入研究氧化铈影响粉未成形的作用机理，揭示氧化铈脱氧、孕育和改变合金粘度的机理；分析喷熔层的微观组织、相结构及喷熔层与基体界面附近的组织特征，并对涂层硬度、耐高温磨蚀性能进行研究，探索氧化铈对涂层合金成分、组织结构和性能的作用机制。揭示氧化铈在涂层高温摩擦过程中的化学状态，以及氧化铈作为高温润滑剂的润滑机理，以期提高氧化铈在合金中的残余量，增强材料的抗高温磨蚀能力，该合金粉末可应用于内燃机气门等高温磨蚀苛刻环境下的零部件表面，为开发新型抗高温磨蚀表面涂覆合金等材料奠定理论基础，对充分发挥氧化铈在高温摩擦学研究中的作用有重要意义。

本项目采用双极耦合快凝低真空雾化法制备NiCoWRE合金粉末，材料配方为C 0.6-0.8%,B 1.5-2.0%,Si 2.0-2.5%, Fe ≤3%,Ni 16-20%,Cr18-20%,W 6-8%, CeO2 0.2-1.0%, Co余量，合金粉末颗粒球形度好，表面光洁，粒度分布均匀，氧化铈的加入，提高了粉末的质量。.通过等离子喷涂方法、氧-乙炔火焰喷熔等方法在钢母材上制备高温耐磨涂层，借助X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、电子探针（EPMA）、场发射扫描电子显微镜（FEGSEM）及能谱仪（EDS）和光电子能谱仪（XPS）研究了喷熔层的微观组织、相结构及喷熔层与基体界面附近的组织特征，并通过对喷熔层硬度、耐磨性、耐腐蚀性的测试及评估，研究和讨论了氧化铈的加入对涂层合金成分、组织结构和性能的作用机制。结果显示：加入氧化铈促进了涂层与基体之间原子的扩散，提高了涂层与基体的结合强度，提高了涂层的硬度，当稀土含量最佳时，所加入的氧化铈充分发挥了强化基体与促进界面原子扩散的作用。.研究了在合金材料的摩擦磨损性能及加入氧化铈对机械性能和摩擦性能产生的影响及影响机理。揭示了氧化铈在涂层高温摩擦过程中的化学状态，以及氧化铈作为高温润滑剂的润滑机理，由于合金中氧化铈的加入，使组织细化且均匀，由高强韧性固溶体及其弥散分布的大量硬质相构成，且氧化铈使量硬质相分布更加均匀，提高了喷熔层的硬度，合金涂层磨粒磨损性能的提高是由于添加的氧化铈提高了喷熔层的塑性和硬度，增强了硬质相与基体的结合强度。在小振幅滑动磨损试验中，由于稀土的加入，细化了涂层组织，提高了合金的机械性能，特别是强度和塑性有所改善，有效地防止了疲劳裂纹的产生，且磨屑层中有氧化铈的存在，在一定程度上起到润滑的作用，氧化铈与氧化物磨屑润滑协调作用有利于耐磨性能的提高。.氧化铈对耐磨性的提高与稀土的含量不是线性关系，当氧化铈含量为0.6%时，磨损失重最少，随后，随着氧化铈含量的增加与减少，磨损失重反而随之增加，说明氧化铈的含量在一定的范围内，提高了耐磨性，当氧化铈含量超出这个范围时，反而不利于耐磨性能的提高，氧化铈最佳加入量为0.6%。.通过对气门的失效分析和检测。所研制的NiCoWRE粉体材料，成功复合在气门基体材料上，提高了气门的使用寿命。