高速电弧喷涂FeCrAl/Al复合涂层的磨损和腐蚀行为研究

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Q235钢由于其相对较好的机械性能而被广泛应用于工业领域,并成为机械设备零部件的常用材料。Q235钢不仅具有良好的切削加工性能,而且具有良好的焊接性能。Q235钢的耐磨性和耐腐蚀性较低,限制了其在磨损腐蚀环境中的应用。相关研究表明,电弧喷涂技术成本低且涂层沉积效率高,是提高Q235钢耐磨性和耐腐蚀性的有效方法之一。FeCrAl涂层由于其高耐磨性、高耐腐蚀性及耐高温氧化性而被广泛使用,铝涂层具有良好的腐蚀性能和高强度质量比。本文旨在采用高速电弧喷涂(HVAS)技术在Q235钢基材上制备FeCrAl/Al涂层,并对涂层的表面组织结构、腐蚀和摩擦学行为进行研究。研究工作的主要内容包括:(1)FeCrAl/Al复合涂层的制备。喷涂前,以45°的角度对基体尖角进行倒角处理,并利用铁砂对基体进行喷砂处理使其表面活化。然后使用高速电弧喷涂技术在Q235钢基材上制备FeCrAl/Al复合涂层。使用的不同喷涂参数为:电弧电压范围为30V至44V,电流范围为160A至280A,喷涂距离为200mm,喷涂角度为90°。(2)涂层表面和横截面组织结构形貌的观察。使用扫描电镜(SEM)对涂层的表面和横截面形貌进行研究。SEM测试结果表明,当电压和电流较低时,涂层表面形成不规则的飞溅;随着电压和电流的增加,复合涂层的结构致密性得到改善。涂层横截面形貌表现出由FeCrAl和Al的相互叠加组成的分层型结构。与单个FeCrAl涂层相比,FeCrAl/Al复合涂层具有交替的FeCrAl和Al层。XRD测试结果表明,由Al和FeCr组成的FeCrAl/Al涂层的主要相包括AlFe金属间化合物以及Cr2O3和Al2O3的氧化物。EDS分析结果表明,铝含量随着喷涂电压和电流的增加而增加,FeCrAl涂层孔隙率的平均测量值分别为3.77、5.34、4.97、4.29、3.46(%)。FeCrAl/Al涂层的平均显微硬度在358.48HV0.1和513.51HV0.1范围内。Q235钢基材和FeCrAl涂层的平均显微硬度分别为165.52HV0.1和409.10HV0.1。由于Al的硬度低而FeCr的硬度高,硬质相和延性相交替形成了复合涂层。附着力划痕仪测试表明,随着电压和电流的增加,涂层的附着力也随之增加。高电压和电流改善了涂层结构,从而提高了涂层与基材的结合强度。(3)涂层的腐蚀性能研究。利用电化学工作站测试腐蚀性能,研究了喷涂参数对涂层腐蚀性能的影响。Tafel极化测试表明,随着电流和电压的增加,涂层腐蚀电流密度降低。电压和电流最高时,制备的复合涂层的腐蚀电流密度和腐蚀速率最低,分别为1.5713μA/cm2和0.013612mm/y。钝化氧化膜的形成防止了电解质渗透到涂层的显微结构中。电化学阻抗谱(EIS)的测量结果也与Tafel结果一致。由于阻抗越高,涂层表现出更好的耐腐蚀性能。从EIS测量和Tafel极化结果来看,FeCrAl/Al复合涂层比FeCrAl/FeCrAl涂层具有更高的耐腐蚀性。因此,可以将FeCrAl/Al涂覆到暴露于NaCl腐蚀性介质的Q235基材上。(4)涂层的磨损性能的研究。使用GCR15钢球表面接触法分析了涂层摩擦磨损的研究往复滑动磨损测试结果。分别测试了Q235钢基体、显微硬度最高的FeCrAl/FeCrAl和FeCrAl/Al涂层的磨损性能。涂层和Q235钢基材的摩擦系数(COF)随着施加载荷的增加而降低。在施加的载荷不变时,Q235钢基材和涂层的磨损量损失随滑动速度的增加而增加,FeCrAl涂层的磨损率最低,因此具有更好的耐磨性。FeCrAl/Al高磨损损耗率是由于下面的Al层硬度低,因此加速了磨损。磨损表面的特征表明,微切割,塑性变形和犁出是涂层和Q235钢基材的主要磨损机理。(5)通过正交试验研究了工艺参数对涂层性能的影响。研究并分析了电压、电流和喷涂距离对涂层显微硬度和磨损轨迹宽度的影响。以最大的显微硬度和最小的磨损痕迹宽度为优化目标,对工艺参数进行了优化。结果表明,影响镀层质量顺序的因素是电压>电流>喷涂距离,得到的最佳参数是电压44V、电流200A和喷涂距离150mm。
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