答辩博士：JOSEPH NDIITHI NDUMIA
指导老师：康敏教授
论文题目：FeCrMoCBWNb涂层的高速电弧喷涂制备及性能研究
答辩委员会：
主席：
何春霞教授/博导 南京农业大学
委员：
汤文成教授/博导 东南大学
田宗军教授/博导 南京航空航天大学
鲁植雄教授/博导 南京农业大学
郑恩来教授/博导 南京农业大学
秘书：
张诚副教授南京农业大学
答辩时间：2024年5月23日15时30分
答辩地点：浦口校区育贤楼A404
论文简介：
该研究通过高速电弧喷涂法对新开发的FeCrMoCBWNb涂层进行了沉积和表征。使用响应面方法优化了涂层的喷涂工艺参数，以最大限度地提高显微硬度并最小化孔隙率。然后对涂层的显微结构和性能进行了研究。该涂层可用于增强65Mn钢的摩擦学和耐腐蚀性能。
本文研究的主要内容和结论包括以下几个方面：
(1)采用响应曲面法优化铁基涂层的工艺参数。对喷涂电压、喷涂电流和喷涂距离进行了实验设计(DOE)，建立了预测涂层显微硬度和孔隙率的模型，并得到最佳工艺参数。方差分析（ANOVA）结果表明，电压是影响显微硬度和孔隙率的最主要变量。喷涂电压、喷涂电流和喷涂距离的最佳工艺参数分别为35V、150A和270mm，显微硬度和孔隙率分别为783.62±15HV0.1和1.51±0.49%。涂层具有典型的层状致密结构，主相是α-Fe相和Fe-Cr固溶体相。涂层的纳米压痕优于65Mn基体，硬度比65Mn基体高出近3倍，涂层的摩擦系数较低，磨损率较低，提高了65Mn基体的耐磨性。涂层的主要磨损机制是磨粒磨损和氧化磨损。
(2)研究了在65Mn和Q235钢基体上沉积的FeCrMoCBWNb涂层的结合性能。结果表明，两种基体上的涂层均具有层状致密结构，孔隙率分别为1.51±0.5%和1.80±0.4%。Q235钢涂层的晶粒尺寸更大，强度和导热率更高，涂层的扩散长度更短。结合强度测试显示，65Mn和Q235钢上的涂层结合强度分别为40.8±1.4MPa和45.5±5.4MPa。65Mn涂层主要表现为结合失效，而Q235钢涂层表现为结合失效和轻微内聚失效。两种基材的表面粗糙度分别为5.59μm和6.71μm，较高的表面粗糙度增加了涂层结合强度。残余压应力测试显示65Mn和Q235涂层分别为170.5MPa和203.5MPa。65Mn涂层主要因脆性断裂而失效，而Q235涂层主要因韧性断裂而失效。在热冲击测试中，Q235涂层进行了52次循环，高于65Mn涂层的34次循环，显示出更好的耐热震性。65Mn和Q235钢上涂层的断裂韧性分别为2.01MPa·m1/2和2.21MPa·m1/2。总体来说，Q235钢基体上的FeCrMoCBWNb涂层表现出更好的结合强度和耐热震性。
(3)研究了FeCrMoCBWNb涂层和65Mn基体在干滑动和3.5wt.% NaCl溶液中湿滑动条件下的摩擦学性能。结果显示，涂层的磨损率为(7.68-11.22)×10-6mm3/Nm，显著低于基体的(12.22-24.13)×10-6mm3/Nm，表明涂层在所有载荷和滑动速度下表现出更好的耐磨性能。在干滑动条件下，涂层的磨损机制主要为磨粒磨损和分层磨损，而基体则以塑性变形和疲劳磨损为主。随着滑动速度增加，涂层磨损率下降，因形成保护性氧化膜减少了摩擦接触。在湿滑动条件下，涂层和基体的平均摩擦系数均较低，但涂层的磨损率依然优于基体。在NaCl溶液中，涂层的磨损机制主要为磨粒磨损与腐蚀损伤结合，而基体则以塑性变形和点蚀为主。涂层的纳米结构和低孔隙率增强了其耐腐蚀性，Cr和Mo元素形成的保护性氧化膜进一步提高了抗腐蚀能力。总体而言，FeCrMoCBWNb涂层显著提高了65Mn钢在干滑动和腐蚀磨损环境中的耐磨性和耐腐蚀性。
(4)研究了不同热处理温度和保温时间对铁基涂层组织和性能的影响。涂层在550℃、650℃和750℃下进行2小时热处理，以及在650℃下进行1小时、2小时和3小时热处理后，显微组织、相结构、结合强度、显微硬度、纳米压痕、磨损和腐蚀性能发生了显著变化。650℃-2h的涂层孔隙率最低，为1.2±0.5%。高温750℃导致孔隙率增加，显微硬度下降。650℃-2h时显微硬度达到最高803±36HV0.1，结合强度为52.9±5.6MPa。热处理提高了涂层的密度和氧化物含量，显著增强了显微硬度和耐腐蚀性，特别是在550℃-2h时，耐腐蚀性能最好，电流密度为5.48µA/cm²。随着保温时间的延长，涂层孔隙率进一步降低，650℃-3h时孔隙率最低为1.0±0.2%，耐磨性和耐腐蚀性提高。热处理3h后，涂层显微硬度和均匀性增加，耐磨性和耐腐蚀性均优于喷涂态涂层。总体而言，热处理改善了涂层的显微结构和性能，尤其是在中等温度和适当保温时间下，效果最佳。
主要创新点如下：
（1）采用高速电弧喷涂技术研制了一种新型FeCrMoCBWNb涂层，该涂层具有低孔隙率纳米晶结构、高显微硬度、拉伸结合强度和优异的耐磨性，可改善65Mn钢的性能。本研究在实验设计中利用响应面方法获得喷洒变量与响应之间的关系。最佳电弧喷涂参数为电压35 V、电流150 A、喷射距离270 mm。显微硬度最大化，孔隙率最小化，以获得具有特定性能的涂层，用于磨损和腐蚀应用。
（2）通过对FeCrMoCBWNb涂层粘附性能的研究，建立了基材力学性能与基材-涂层对之间的关系。通过研究涂层的拉伸粘接强度和抗热震性能，分析了涂层的粘接失效机理和断裂机理。涂层的粘接强度与基材的表面粗糙度、纳米压痕性能和导热系数有关，影响涂层的粘结性、强度、结晶度和抗热震性。
（3）分析了FeCrMoCBWNb涂层在滑动磨损条件下的摩擦学性能，建立了接触力学与样品表面的关系。研究了外加载荷对赫兹接触力学的影响，了解了接触面的应力分布和变形机理，并分析了滑动速度对闪光温度的影响，探讨了磨损机理。涂层的耐磨性与纳米压痕技术获得的力学性能成正比。
