答辩博士：刘冀韬
指导老师：康敏教授
论文题目:高速电弧喷涂Fe基非晶涂层的成分设计及性能研究
答辩委员会：
主席：
鲁植雄 教授/博导 南京农业大学
委员：
田宗军 教授/博导南京航空航天大学
徐晓美 教授/博导南京林业大学
何春霞 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：
王兴盛南京农业大学
答辩时间：2025年5月28日14:00
答辩地点：滨江校区工学院B442
论文简介：
随着农业机械在现代农业生产中的广泛应用以及作业需求的不断提升，其所面临的工作环境愈发复杂。尤其是在腐蚀介质、高载荷冲击和多变工况的交互作用下，磨损和腐蚀已成为导致农业机械设备故障和失效的主要原因之一，严重制约了其性能稳定性与服役寿命。在盐碱地、风沙区、农药残留地以及潮湿腐蚀性土壤等典型环境中，农业机械触土部件（如犁铧、旋耕刀、深松铲和开沟器等）经常受到交变载荷、颗粒冲蚀和腐蚀介质的耦合作用，导致表面失效、结构损伤甚至断裂失效。
针对上述问题，本研究围绕FeMnCrNiBNb非晶涂层的成分设计、制备及其性能研究展开。通过结合第一性原理计算和高速电弧喷涂（HVAS）技术，设计并优化了涂层的组成成分和工艺参数。通过系统的试验研究，深入分析了涂层的耐腐蚀性能、摩擦学性能及其在复杂环境中的损伤机制。研究旨在为FeMnCrNiBNb非晶涂层在现代机械设备中的广泛应用提供理论基础和试验依据。主要研究内容及结论如下：
（1）设计了FeMnCrNiBNb非晶涂层。本研究基于第一性原理，通过计算优化了FeMnCrNiBNb非晶涂层的成分。在此过程中，采用了VASP软件并结合第一性原理分子动力学方法，研究了多项结构特征，包括径向分布函数、配位数、均方位移和Voronoi多面体分布的变化规律。这些特征揭示了不同成分材料在非晶化过程中的行为，并提供了非晶形成能力的定量比较。此外，研究深入探讨了Fe、B、Nb等关键元素的含量变化对非晶形成能力的影响。通过计算对比不同元素含量组合的稳定性与相互作用发现，Fe58Mn12Cr10Ni8B7Nb5(wt%)这一组分在化学均匀性和短程有序方面表现最为优越，具有良好的非晶形成能力。为了验证这一结果，进一步采用X射线衍射与透射电子显微镜对涂层的微观结构进行了分析，结果表明Fe58Mn12Cr10Ni8B7Nb5(wt%)这一组分具有典型的非晶结构，且非晶相的含量高达87.29%。本研究不仅成功展示了第一性原理分子动力学仿真与试验表征相结合的综合研究策略在非晶材料设计中的有效性和科学性，还为后续非晶材料的研究提供了坚实的理论基础和技术指导。
（2）优化了FeMnCrNiBNb非晶涂层的喷涂工艺参数。本研究在涂层成分设计的基础上，采用正交试验方法对FeMnCrNiBNb非晶涂层的喷涂工艺参数进行了优化。通过对喷涂电压、喷涂电流、喷涂距离和喷涂气压四个关键工艺参数的调节，探讨了这些参数对涂层性能的影响规律。通过极差分析和方差分析，明确了影响涂层性能的主要因素，并进一步确定了优化的工艺参数组合：喷涂电压40 V，喷涂电流200 A，喷涂距离200 mm，喷涂气压0.65 MPa。在这一优化工艺参数下，FeMnCrNiBNb非晶涂层呈现出良好的微观结构和力学性能。涂层的孔隙率降低至1.1 ± 0.3%，表明其致密性显著提高；涂层的显微硬度提升至1550 ± 52 HV0.1，显示出良好的硬度性能；结合强度则达到53 ± 4 MPa，表明涂层与基体的粘接力强。通过优化喷涂工艺参数组合，显著提升了涂层的致密性、显微硬度和结合强度等性能，并且为进一步将该涂层应用于工业生产中提供了有力的理论依据和实践指导。
（3）揭示了FeMnCrNiBNb非晶涂层在3.5 wt% NaCl腐蚀溶液中的耐腐蚀机理。本研究在优化喷涂参数的基础上，系统研究了FeMnCrNiBNb非晶涂层在3.5 wt% NaCl溶液中的腐蚀行为，重点分析了涂层在不同腐蚀阶段的耐腐蚀特性及其影响因素。研究结果表明，FeMnCrNiBNb非晶涂层在3.5 wt% NaCl溶液中的耐腐蚀性能表现出波动下降的特性，并在浸泡14天时达到了最佳的耐腐蚀状态。在该阶段，涂层的电化学腐蚀参数为Icorr= 0.31 μA·cm-2、Ecorr= -0.39 V、Rct= 9333.4 Ω·cm2，显示出良好的钝化能力和耐腐蚀性能。此时，涂层表面形成的钝化膜展现出最佳的致密性与稳定性，有效抑制了溶液中Cl⁻离子对涂层的侵蚀。研究还发现，FeMnCrNiBNb非晶涂层耐腐蚀性能呈现出的波动下降趋势与涂层表面钝化膜的形成、破坏及再生成过程密切相关。进一步的分析显示，稳定且均匀的钝化膜能有效地屏蔽腐蚀性离子的渗透，从而显著提高涂层的耐腐蚀性能。因此，FeMnCrNiBNb非晶涂层在腐蚀环境下能长时间的维持良好的耐腐蚀性能，主要依赖于钝化膜的完整性和稳定性。
（4）阐明了FeMnCrNiBNb非晶涂层在干摩擦条件下的摩擦学机理。本研究在优化喷涂参数的基础上，通过一系列摩擦学试验，结合摩擦系数、磨损率和磨痕形貌等特征详细分析了磨损机理。深入探讨了干摩擦环境下，不同法向载荷和滑动速度对FeMnCrNiBNb非晶涂层摩擦学性能的影响机制。研究表明，随着法向载荷的增加，涂层的摩擦系数从0.71降至0.42，而磨损率则从4.85×10-6mm3/N·m增至12.87×10-6mm3/N·m。此外，涂层的磨损机理也随载荷的增大发生变化，从低载荷时的磨粒磨损逐步转变为接触疲劳磨损。另一方面，随着滑动速度的提高，摩擦系数和磨损率也呈现出类似的变化趋势。随着滑动速度的增加，摩擦系数从0.61降低至0.36，而磨损率从5.97×10-6mm3/N·m增加至11.23×10-6mm3/N·m。滑动速度的增加使得磨损机理由磨粒磨损转变为氧化磨损和疲劳磨损，并且具有黏着磨损的趋势。然而，通过对比研究发现FeMnCrNiBNb非晶涂层在不同测试条件下的耐磨损性能均优于17CrNiMo6钢基体。通过试验结果，进一步揭示了FeMnCrNiBNb非晶涂层良好耐磨性能的原因，以及该性能与涂层的微观结构、力学性能之间的紧密关系。
（5）探讨了FeMnCrNiBNb非晶涂层在腐蚀溶液条件下的摩擦学机理。本研究基于对涂层在干摩擦和静态腐蚀条件下的性能研究，进一步采用3.5 wt% NaCl溶液作为腐蚀介质，进行了腐蚀-磨损耦合环境中的摩擦磨损试验。通过摩擦系数、磨损率和磨痕形貌等特征对磨损机理进行了详细分析。揭示了FeMnCrNiBNb非晶涂层在腐蚀溶液环境下，不同法向载荷和滑动速度对其摩擦学性能的影响机制。研究表明，随着法向载荷和滑动速度的增加，涂层的摩擦系数和磨损率均表现出逐渐降低的趋势。其中，随着法向载荷的增加，涂层的摩擦系数和磨损率分别由0.51和9.01×10-6mm3/N·m降低至0.29和7.31×10-6mm3/N·m。而随着滑动速度的增加，涂层的摩擦系数和磨损率分别由0.45和8.88×10-6mm3/N·m降低至0.17和7.83×10-6mm3/N·m。此外，随着法向载荷和滑动速度的提高，涂层的磨损机理也从磨粒磨损转变为接触疲劳，并伴随着腐蚀磨损的加剧。这种变化表明，在腐蚀-磨损耦合环境中，涂层的耐磨性能不仅受机械作用的影响，还明显受到腐蚀作用的影响，导致磨损机理的转变。FeMnCrNiBNb非晶涂层在腐蚀-磨损耦合环境下展现出良好的摩擦学性能。其非晶结构和高显微硬度赋予了涂层在复杂工况下良好的耐磨损和耐腐蚀能力。此外，涂层表面形成的氧化膜不仅提供了有效的润滑作用，还起到了保护屏障的作用，减少了摩擦过程中的直接接触，从而显著降低了摩擦系数并有效抑制磨损。
本文创新点如下：
（1）设计了一种具有良好非晶形成能力的FeMnCrNiBNb非晶涂层材料。本研究基于第一性原理分子动力学方法，对FeMnCrNiBNb非晶涂层的化学成分进行了设计与优化。通过分析径向分布函数、配位数、均方位移和Voronoi多面体结构，探讨了关键元素（如B、Nb）含量变化对非晶形成能力的影响机制，明确了元素配比对涂层内部化学均匀性与短程有序结构的调控规律。研究结果表明，Fe58Mn12Cr10Ni8B7Nb5(wt%)组分具有良好的非晶形成能力与结构稳定性，实现了涂层微观结构与性能的优化，完成了理论模拟与试验制备的有效结合，为高性能Fe基非晶涂层的开发奠定了理论与试验基础。
（2）揭示了FeMnCrNiBNb非晶涂层在3.5 wt% NaCl溶液中的腐蚀机理及演化规律。本研究通过分析FeMnCrNiBNb非晶涂层在不同浸泡时间下的腐蚀行为，明确了涂层耐腐蚀性能随浸泡时间变化的动态演化规律，揭示了其在Cl⁻离子侵蚀环境下的耐腐蚀机制。研究发现，涂层的耐蚀性能依赖于表面钝化膜的致密性、稳定性及其受损后的自愈能力。这些发现为Fe基非晶涂层在复杂腐蚀环境下的设计与应用提供了理论依据和实践指导。
（3）阐明了FeMnCrNiBNb非晶涂层在干摩擦与腐蚀环境下的磨损机理及演化规律。本研究通过分析法向载荷与滑动速度对摩擦系数、磨损率及磨损机理的影响，揭示了FeMnCrNiBNb非晶涂层在不同服役工况下磨损行为的动态演变规律，明确了非晶结构与高显微硬度之间的协同效应在提升涂层耐磨损性能方面的关键作用。研究成果为复杂服役环境下Fe基非晶涂层的设计和工程应用提供了理论支撑和技术参考。
