摘 要
本文利用正交试验设计对45号钢基体表面等离子喷涂Al2O3-13wt.%TiO2（AT13）涂层的工艺参数进行优化，采用 X 射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、正态和 Weibull 统计分析方法以及摩擦磨损试验等方法对比研究了优化工艺参数条件下喷涂 Al2O3、Al2O3-13wt.%TiO2以及分别添加稀土氧化物添加剂 La2O3和 CeO2的 Al2O3-13wt.%TiO2复合陶瓷涂层的微观组织结构与性能。
在保持喷涂距离 80mm、送粉量 2.4kg·h-1的条件下，采用正交试验设计方法研究了工艺参数主气流量（氩气）、电弧电流、电弧电压对涂层性能的影响，表明主气流量是影响涂层组织、性能的最主要因素，电流、电压次之。在本试验条件下，喷涂 AT13 陶瓷涂层的优化工艺参数为：主气流量 45slm，电流 550A，电压 65V。等离子喷涂 Al2O3涂层主要由亚稳态 γ-Al2O3和少量的稳态 α-Al2O3组成，AT13 涂层由 γ-Al2O3相、α-Al2O3相及金红石型 TiO2组成，涂层组织均呈明显的层片状结构，并含有孔隙、微裂纹及未熔颗粒等缺陷，基体与粘结层以及陶瓷层与粘结层之间形成良好的机械结合界面。TiO2的添加使AT13 涂层孔隙减少，涂层致密性提高。两种涂层的显微硬度统计分析表明硬度分布存在相当大的分散性，均同时显著服从正态分布和 Weibull 分布。AT13 涂层与 Al2O3涂层相比硬度较低，但其硬度分布的分散性较小。在相同的摩擦磨损试验条件下，AT13 涂层表现出比 Al2O3涂层优异的耐磨性，磨损机制均主要为脆性疲劳引起的微观剥落和粘着磨损。
分别添加稀土La2O3和CeO2的AT13涂层的微观组织结构特征类似于AT13涂层，稀土氧化物的添加改善了层片之间的结合，但导致未熔 Al2O3颗粒增多。添加稀土氧化物对涂层的显微硬度大小几乎没有影响，统计分析表明涂层硬度分布也服从正态分布和Weibull分布，但分散性降低。当La2O3和CeO2的添加量分别为6%和4%时，对应涂层显微硬度分布的分散性最小。摩擦磨损试验表明，加入稀土氧化物也改善了AT13涂层的耐磨性，涂层的磨损机制仍为脆性剥落磨损和粘着磨损，磨损表面脆性剥落程度降低，粘着面积增大。当La2O3和CeO2的加入量分别为6%和12%时，对应涂层的耐磨性最好。
关键词：等离子喷涂，Al2O3涂层，稀土氧化物，显微硬度，磨损
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