稀土氧化物改性热喷涂涂层强韧化机理研究

Thermal spray WC-Co coatings possess excellent wear resistance. When brittle materials such as cobalt cermets (WC-Co) are under severe working conditions, fracture resulted in brittle fracture and a loss of material from the surface by nucleation and the intersection of cracks. Under such conditions, materials possessing the highest fracture toughness, which is the most relevant material property. Rare earth oxide can inhibit grain coursing and bond phase brittle to enhance fracture toughness, which is expected to improve strength and toughness of WC-Co coatings. .Different content and type of rare earth oxide modified WC-Co coatings will be prepared by using HVOF technology. Toughing mechanisms and role of rare earth oxide on the microstructure evolution will be researched to optimize content and type of rare earth oxide. The law of rare earth oxide on interface bonding strength will be investigated to discuss the distribution of rare earth near interface and change of interface phase structure. The cracks propagating path, grain boundary bonding energy and electronic structure of rare earth will be used to research the strengthening and toughing mechanism, establishing strengthening and toughing mechanism model of rare earth modifying coating.

热喷涂WC-Co涂层具备优异的耐磨性能，然而当涂层工作于严酷的腐蚀磨损环境中时，材料的流失由于表面裂纹形成或聚集而导致脆性断裂，对涂层的韧性提出了更高的要求。稀土氧化物可有效抑制晶粒粗化和粘结相脆化而提高断裂韧性，因此稀土氧化物改性可望改善WC-Co涂层的强韧性。本项目采用超音速火焰喷涂工艺制备不同稀土氧化物含量及种类的WC-Co涂层，研究稀土氧化物改性WC-Co涂层的韧化机制和稀土氧化物在涂层微观组织演化中的作用机制，优化稀土氧化物含量以及种类，研究稀土氧化物对界面结合强度的影响规律，探讨稀土氧化物在界面附近的分布及界面相结构变化，寻求其之间的关系规律。从裂纹扩展路径、晶界结合能和稀土氧化物的电子结构方面对稀土氧化物在涂层中的强韧化机理进行研究，建立稀土氧化物改性涂层的强韧化机理模型。

热喷涂WC-Co涂层具备优异的耐磨性能，然而当涂层工作于严酷的高温磨损或腐蚀磨损环境中时，材料的流失由于表面裂纹形成或聚集而导致脆性断裂，对涂层的韧性提出了更高的要求。稀土元素能够阻止加热过程中晶粒长大，具有净化作用，可以去除材料的杂质，可有效抑制晶粒粗化和粘结相脆化而提高断裂韧性，因此稀土氧化物改性可望改善WC-Co涂层的强韧性。.本项目旨在建立稀土氧化物改性超音速火焰喷涂WC-Co涂层的强韧性机理，通过研究稀土氧化物种类及含量对涂层微观组织和力学性能的影响规律以及在高温氧化和磨损过程中稀土氧化物对涂层的作用机制，建立了稀土氧化物改性WC-Co涂层的强韧化模型。研究结果表明，稀土的添加可抑制WC晶粒长大和硬质相脱碳分解，提高WC颗粒在Co相中分散均匀度，有效抑制热喷涂过程中的脱碳氧化。当稀土CeO2添加量为1.0wt%时，改性效果最佳，涂层孔隙率降低59.3%，硬度提高了10%。.高温氧化和高温磨损性能研究结果表明，稀土元素抑制氧元素扩散明显改善了涂层抗高温氧化性，普通WC-12Co涂层在550°C以上迅速失去抗磨损破坏能力，而稀土氧化物改性涂层在650°C仍保持良好的承载能力，主要原因是一方面稀土元素能减缓涂层高温氧化过程，有效减少强组分元素的流失；另一方面，能促进以CoWO4为主的连续、致密氧化膜结构的形成，达到减磨效果。基于第一性原理计算稀土结果表明稀土改性涂层的界面结合能大，界面处电荷转移更多，界面更稳定。.通过本项目中稀土氧化物对涂层强韧化机理的的研究，为稀土氧化物改性涂层的应用提供理论和数据支撑。