【摘 要】
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铜基复合材料在自润滑材料领域应用广泛,但日益严峻的工况条件对其减摩润滑性能提出了更大的挑战,而且由于磨损并不能完全避免,因此铜制零件仍然存在各种磨损失效问题。冷喷涂作为一种新兴的再制造技术,为铜制零件的逐层沉积修复提供了良好的解决方案。针对磨损失效铜制构件的再制造综合性能的要求,结合球磨法和冷喷涂工艺在TU1铜基材上制备了铜-氮化硼纳米片(Cu-BNNSs)复合涂层,对喷涂粉末和冷喷涂涂层进行了表
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铜基复合材料在自润滑材料领域应用广泛,但日益严峻的工况条件对其减摩润滑性能提出了更大的挑战,而且由于磨损并不能完全避免,因此铜制零件仍然存在各种磨损失效问题。冷喷涂作为一种新兴的再制造技术,为铜制零件的逐层沉积修复提供了良好的解决方案。针对磨损失效铜制构件的再制造综合性能的要求,结合球磨法和冷喷涂工艺在TU1铜基材上制备了铜-氮化硼纳米片(Cu-BNNSs)复合涂层,对喷涂粉末和冷喷涂涂层进行了表征,着重研究了复合涂层的微观结构、机械性能和摩擦学行为,其具体研究结果如下:(1)涂层制备及微观特征:探究了球磨法高效制备BNNSs的机理,并从六方氮化硼(h-BN)中剥离出BNNSs(厚度:20-50nm);运用行星式球磨机将电解铜粉与BNNSs进行混合球磨,促使电解铜粉发生冷焊,实现了部分BNNSs嵌入铜颗粒内部。通过优化的喷涂工艺参数制备出结构致密的复合涂层,其孔隙率仅为1.2%左右,涂层的氧化程度较低。BNNSs的加入虽然一定程度上降低了沉积效率,但是复合涂层的表面相比于纯Cu涂层显得更平整且紧密,这是由于部分BNNSs粘附于复合粉末表面,阻碍了绝热剪切和颗粒结合的发生,部分Cu-BNNSs复合粉末起到了“喷丸”的作用,使得涂层表面被夯实。(2)涂层物理性能方面。因加工硬化的作用导致纯Cu涂层的平均显微硬度(138.9 HV)高于TU1铜基材(100.8 HV),而Cu-BNNSs复合涂层的平均显微硬度(119.2 HV)略低于纯Cu涂层,这是由于在Cu-BNNSs复合涂层中BNNSs和Cu之间的脱粘作用导致的。复合涂层与基材结合较好,经测试其平均结合强度可达71.2MPa左右。(3)涂层摩擦性能方面。在干摩擦试验条件下Cu-BNNSs复合涂层表现出优异的耐磨性能,在稳定磨损阶段复合涂层的摩擦系数在0.51左右,远低于纯Cu涂层的摩擦系数(0.76±0.02),且Cu-BNNSs复合涂层的磨损率比纯Cu涂层低20%左右。(4)磨损机理方面。TU1铜基材主要为粘着磨损以及磨粒磨损,Cu涂层主要呈现出严重的磨粒磨损以及氧化磨损,而Cu-BNNSs复合涂层则表现出轻微的磨粒磨损;BNNSs的存在对磨损轨迹主要有两个方面的影响:首先由于BNNSs具有较弱的层间范德华力,摩擦力使得BNNSs发生层间滑动,因此降低了摩擦系数。其次,粘附在磨损表面的BNNSs阻碍了研磨球与复合涂层的接触,并形成润滑膜,最终防止材料的进一步去除。
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