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原文传递铝合金轮毂表面高性能涂层制备及其性能研究

论文题名：	铝合金轮毂表面高性能涂层制备及其性能研究
关键词：	铝合金轮毂;聚氨酯;非晶合金;高熵合金;激光熔覆;等离子喷涂
摘要：	铝合金轮毂作为车辆行驶系统中的重要承载部件，在汽车轻量化方面做出了重要贡献，已经在民用、特种作业和军事等领域获得了广泛应用。汽车轮毂不仅要有足够的整体强度、刚度，还需要具有良好的表面性能。然而，铝合金轮毂表面的强度、硬度低，耐磨性差，在高盐、湿热等环境下的抗腐蚀能力不足，这大大缩短了它的服役寿命，限制了其作为重型货车和特种车辆轮毂在恶劣环境下的应用。因此，通过采用表面处理方法来改变铝合金表层组织结构，提高表面综合性能，对延长铝合金使用寿命和扩大应用领域具有十分重要的意义。本文采用三种表面改性方法获得了具有不同特性的强化涂层，系统研究了涂层成分、相组成、微观组织结构与力学性能、耐磨性、耐蚀性等性能之间的关系。　　提出以Zr基和Ni基非晶合金作为改性填料，采用双组分合成方法制备聚氨酯/非晶合金复合涂层，随后开展研究。结果表明，金属填料对聚氨酯的聚合反应过程有一定程度的影响，会使硬链段在涂层表面表现出含量降低的偏析特性，涂层中非晶合金的添加，会使硬链段N-H键之间的分子间作用力和脲基团C=O键的氢键强度发生改变。添加的非晶颗粒打乱了填料在涂层中的原始排列方式，形成新的近环形结构，总体上对涂层的综合性能产生积极影响。受非晶合金特性和氢键强度的协调影响，涂层的硬度和耐磨性随非晶含量的增加而增大，硬度最高提升1.66倍，耐磨性最高提升3.31倍，磨损以磨粒磨损和疲劳磨损为主。涂层表现出一定的隐身性能和高出纯聚氨酯涂层2.45倍的结合强度，非晶合金的添加可使涂层的耐蚀性显著提升。在聚氨酯/非晶合金复合涂层中，含50vol%Zr基非晶合金的复合涂层具有最佳的综合性能。　　利用激光熔覆技术在铝合金表面制备熔覆层，发现采用1.5mm小光斑可减少熔覆层的成型缺陷。针对铝合金熔点低，易在熔池中大量上浮，且与其他元素的二元混合焓较负，易形成脆性金属间化合物，恶化涂层质量的问题，提出利用具有高熵效应的高熵合金作为熔覆材料，从理论计算角度对相结构进行判定，选定并设计了适用于铝合金激光熔覆的FeCoCrNi-M(M=Mn,Cu,Ti,-)高熵合金体系。并结合多响应工艺优化和双层熔覆方法，给出了最优制备工艺参数，基本可以抑制Al的稀释行为，为制备大面积激光熔覆涂层奠定了基础。在大面积激光熔覆FeCoCrNi-M涂层中，Mn或Cu的添加不会改变涂层的单一FCC相结构，添加Ti会使涂层新增BCC、Laves和AB型相，不同元素的添加会引起不同的成分偏析和晶粒尺寸变化。在固溶强化、弥散强化、析出强化和细晶强化的协同作用下，涂层最大能提高铝合金基体16倍的硬度和69倍的耐磨性，磨损以磨粒磨损和粘附磨损为主。涂层的结合强度远高于改性聚氨酯复合涂层，添加Cu对结合强度的提高最为显著。激光熔覆高熵合金涂层能大幅提高基体的耐蚀性，其中，FeCoCrNiTi涂层覆盖有TiO2、Cr2O3构成的致密钝化膜，具有最佳的耐蚀性。　　利用等离子喷涂涂层的界面结合方式以机械啮合为主，能避免Al发生上浮并进入涂层的特性，制备高熵合金沉积层，随后开展研究。结果表明，涂层具有典型的层状组织结构，物相以FCC相为主，还含有一定量的氧化物，界面处存在微米级冶金结合层。由于喷涂粉末的制备方法不同，Cu和Ti在涂层中大部分以单质和氧化物的形式存在，少部分固溶在FCC相中。涂层最大能提高铝合金基体8.4倍的硬度和62倍的耐磨性，除添加Ti的涂层以外，其他三种涂层的硬度和耐磨性均高于同成分的激光熔覆涂层，第二相强化是硬度和耐磨性提升的主要强化机制，粘附磨损、磨粒磨损和氧化磨损为主要磨损机制。涂层的结合强度远高于改性聚氨酯复合涂层，且对组成元素的变化不敏感。等离子喷涂高熵合金涂层能明显提高基体的耐蚀性，其中，FeCoCrNiTi涂层中的FCC相固溶有部分Ti元素，使其具有最好的耐蚀性。　　聚氨酯/非晶合金复合涂层的最大优势是耐腐蚀性最强，并兼具良好的柔韧性、隐身性和美观度。采用聚氨酯/非晶合金复合涂层改性的铝合金轮毂，更适合在腐蚀强度高的环境下服役。激光熔覆涂层的结合强度最高，同时又具备良好的力学性能、耐磨性，以及较高的耐蚀性，综合性能相对优秀。采用激光熔覆涂层改性的铝合金轮毂，适用于对耐刮擦、抗冲击、耐磨损和抗腐蚀均有需求的环境。等离子喷涂涂层的硬度和耐磨性大部分高于激光熔覆涂层，同时又具有良好的耐蚀性。采用等离子喷涂涂层改性的铝合金轮毂，适合在对耐磨损、抗冲击要求较高，并且对耐蚀性有一定需求的环境下服役。
作者：	马占山
专业：	机械设计及理论
导师：	李强
授予学位：	博士
授予学位单位：	燕山大学
学位年度：	2022