论文总字数：20182字

摘 要

冲蚀磨损不仅每年对全世界造成巨大的经济损失，还造成了大量的能源被浪费和环境受到污染。寻找一种能够有效、经济且环保的减小冲蚀磨损的方式是世界各国当前的紧要任务。

本文根据材料的工况，阐述了机械零件在泥沙冲蚀下的失效机理，并对WC-CoCr涂层的制造方法进行了研究。本文主要通过对涂层的性能要求进行了分析，选择了三种不同的粉末——纳米、微米和微纳米WC-10Co-4Cr，选择超音速火焰喷涂技术，选定了在喷涂过程中的参数，并制备完成三种涂层。将三种涂层放在模拟的工况中进行了抗冲蚀磨损性能试验，根据得出的实验数据比较三种涂层的抗冲蚀磨损性能优劣。

在三种涂层中，抗冲蚀磨损性能最好的是微纳米WC-10Co-4Cr涂层 ,其次是纳米WC-10Co-4Cr涂层，最差的是微米WC-10Co-4Cr涂层。

关键词：微纳米；WC-10Co-4Cr；冲蚀磨损。

Abstract

Erosion and wear not only cause hundreds of millions of economic losses worldwide every year, but also cause a great deal of energy waste and environmental pollution. It is an urgent task for all countries in the world to find an effective, economical and environmentally friendly way to reduce erosion and wear.

Based on the working conditions of the materials, the failure mechanism of the mechanical parts under the erosion of sand was described, and the manufacturing method of wc-cocr coating was studied. This paper mainly analyzes the performance requirements of the coating, selects three different powders — nano, micro and micro nano wc-10co-4cr, selects the supersonic flame spraying technology, selects the parameters in the spraying process, and finishes the three coatings.

Three kinds of coatings were tested in simulated working conditions for erosion and wear resistance. The mechanism of erosion and wear resistance of three kinds of coatings was compared according to the experimental data.

Among the three coatings, being equipped with the best anti-erosion wear performance is the micro-nano WC-10Co-4Cr coating, followed by the nano WC-10Co-4Cr coating, and the worst is the micron WC-10Co-4Cr coating.

Key Words: Micro-nano; WC-10CO-4CR; Erosion wear.

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1目的及意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3研究内容 2

第2章 流体机械零件的效机理分析 3

2.1冲蚀磨损的原理 3

2.2影响冲蚀磨损的主要因素 4

2.3本章小结 6

第3章 抗泥浆冲蚀磨损涂层设计 7

3.1抗泥浆冲蚀磨损材料和方法 7

3.1.1减少冲蚀磨损的方法 7

3.1.2 涂层材料的选择 7

3.2 WC颗粒尺寸对WC-CoCr涂层的性能影响 9

3.3 WC基粉末的制备工艺 9

3.4 WC基粉末的颗粒尺寸以及宏观形貌 10

3.5本章小结 11

第4章 微纳米结构的WC-CoCr涂层的制备工艺 12

4.1喷涂之前对粉末的准备工作 12

4.2金属陶瓷涂层的制备技术 12

4.3超音速火焰喷涂技术 14

4.4涂层制备过程的参数选择 14

4.5本章小结 15

第5章 WC-CoCr涂层的泥浆冲蚀磨损性能研究 16

5.1试验步骤 16

5.2 试验结果 18

第6章 结论 21

参考文献 22

致谢 24

第1章 绪论

1.1目的及意义

中国是一个江河众多的国家。含沙量大是我国河流的一个特点，有42条河流年平均含沙量超过14万吨，每年约有20亿吨泥沙直接进入海里，其中黄河占60%，位于世界之首^[1]。含沙量大的河流对船舶造成的冲蚀磨损是很大的，因而产生的损失巨大。由此可知，冲蚀磨损已经引发了巨大经济损失和资源浪费，并直接或间接对环境造成污染。如压缩机叶片，泥浆泵，管道的弯头处等都存在冲蚀磨损现象^[2]。提高材料的抗冲蚀磨损性能是很必要的，这对环境保护，节约资源，减少不必要的财政支出等方面益处良多。

对于抗冲蚀磨损的研究是从上个世纪四十年代开始的，自那之后，就有大量的专家学者对这方面进行了研究。考虑到经济性和可靠性，目前各国用来抗冲蚀磨损的方法多为涂层保护法，该方法施工方便，不受外界条件的限制和约束，而且成本比较低，既经济又环保，能够很好地延长材料的寿命^[3]。基于历史原因，我国在抗冲蚀磨损材料方面的研究还处于初级阶段，远远落后于美国，英国，德国等一系列欧美国家。也因为在抗冲蚀磨损材料方面研究落后的原因，我国的国防能力受到制约，寻找一种经济环保的抗冲蚀磨损材料已经成为了目前的紧要任务。因此，为了减少资源浪费，减少不必要的财政支出，减少对环境的破坏，让我国的国防能力免于受人制约，尽快研究出一种经济环保的抗冲蚀磨损材料已经是我国当前的一个紧要任务。

1.2国内外研究现状

涂层由于其具有较高的表面硬度和良好的耐磨损性能被广泛应用于各个工程领域中，如水运，冶金，能源等。

国外早在上世纪就开始利用物理气相沉积技术在压气机表面制备抗冲蚀磨损涂层的研究，经历了由单层的简单涂层到多元多层的复合涂层的过程。俄国自前苏联时期就已经开始了对抗冲蚀磨损涂层的研究工作，并且他们已经把以为基的多元多层的抗冲蚀磨损涂层成功地应用在了发动机上^[2]。美国对于抗冲蚀磨损涂层的研究也是从上个世纪七十年代左右开始的，1994年，美国康涅迪格大学的研究小组首次在纳米结构-10涂层的制备过程中使用了高速速火焰喷涂，研究过程中发现金属粉末并没有完全熔化，原料粉的纳米结构在喷涂过程结束后仍有部分保留在涂层中^[4]。1997年，美国在高性能陶瓷涂层方面的销售额高达7.1亿美元^[5]。目前，美国海军已经在船舶和舰艇上热喷涂纳米涂层，这种涂层致密度高，抗磨损能力是粉末结构涂层的三倍。美国一公司先将多种半导体材料稳定得分散在水或有机溶剂中，然后再将混合物运用于树脂，就得到了功能性纳米涂料，这种隔膜具有耐磨、隔热、屏蔽紫外线和隔绝红外线等功能，已广泛应用在很多领域。我国对抗冲蚀磨损的研究也取得了一定的进展。利用等离子喷涂技术，中国科学院上海硅酸盐研究所对纳米ZrO₂，WC-Co和TiO₂涂层进行了初步研究，并得出了一定的进展。

1.3研究内容

本课题的研究内容主要有以下几个方面：

1. 流体机械零件的泥浆冲蚀磨损失效机理分析；
2. 流体机械零件的抗泥浆冲蚀磨损的材料和方法;
3. 抗泥浆冲蚀磨损涂层设计；
4. 微纳米结构WC-CoCr涂层的制备工艺的确定；
5. 微纳米结构WC-CoCr涂层的泥浆冲蚀磨损性能研究。

第2章 流体机械零件的效机理分析

自1958年微切削理论出现开始，越来越多的研究者们提出各种各样的有关冲蚀的理论和模型，尽管如此，到现在为止，也没有一种理论能够全面地解释冲蚀磨损。

2.1冲蚀磨损的原理

（1）有关塑性材料的冲蚀磨损理论^[6,7]

①微切削理论：该理论由Finnie于1958年首次提出。将冲击粒子视为刚体是讨论该理论的前提，在冲击过程中冲击粒子不发生开裂形变，因此能将三维问题视作二维问题来处理。冲蚀体积V和冲击角ɑ的关系如下：

当，；

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