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稀土Ce对高铝青铜超音速等离子喷涂层微观结构与性能调控机制研究

一、引言

1.1研究背景与意义

高铝青铜作为一种重要的铜基合金，凭借其优良的综合性能，在现代工业中占据着不可或缺的地位。它具有较高的强度和硬度，使其能够承受较大的外力作用，不易发生变形和损坏，因此被广泛应用于制造各种机械零件，如齿轮、轴套等，这些零件在工作过程中需要承受较大的载荷和摩擦力，高铝青铜的高强度和硬度能够保证其长期稳定运行。同时，高铝青铜还具备良好的耐磨性能，在摩擦过程中能够有效抵抗磨损，延长零件的使用寿命，降低设备的维护成本，在矿山、冶金等行业的机械设备中，高铝青铜的耐磨性能使其成为理想的材料选择。此外，其耐腐蚀性也十分突出，能够在多种恶劣环境下保持稳定的性能，不易被腐蚀介质侵蚀，在海洋工程、化工等领域，高铝青铜的耐腐蚀性使其能够适应海水、化学溶液等腐蚀性环境，确保设备的安全可靠运行。

然而，在实际应用中，单一的高铝青铜材料往往难以满足复杂工况下对材料性能的严苛要求。例如，在一些高温、高压、强腐蚀的极端环境中，高铝青铜的表面容易受到损伤，导致其性能下降，影响设备的正常运行。为了进一步提升高铝青铜的性能，拓展其应用领域，表面涂层技术应运而生。

超音速等离子喷涂技术作为一种先进的表面涂层制备技术，近年来在材料表面改性领域得到了广泛的关注和应用。该技术利用等离子弧将喷涂材料加热至熔融或半熔融状态，并以极高的速度喷射到基体表面，形成致密的涂层。与传统的喷涂技术相比，超音速等离子喷涂具有诸多显著优势。首先，其喷涂粒子速度极高，能够使涂层与基体之间形成更强的结合力，有效提高涂层的附着力，减少涂层脱落的风险。其次，该技术能够使涂层更加致密，孔隙率更低，从而提高涂层的耐腐蚀性和耐磨性。此外，超音速等离子喷涂还可以制备出具有特殊性能的涂层，如耐高温、抗氧化等涂层，以满足不同工况下的需求。

在众多影响涂层性能的因素中，稀土元素的添加逐渐成为研究的热点。铈（Ce）作为一种常见的稀土元素，具有独特的物理和化学性质。在金属材料中，Ce元素能够通过多种机制对材料的组织和性能产生积极影响。Ce元素可以作为脱氧剂和脱硫剂，有效去除金属中的有害杂质，净化金属基体，提高材料的纯度和质量。Ce元素还能够细化晶粒，改善材料的组织结构，从而提高材料的强度、韧性和塑性等力学性能。Ce元素还可以提高材料的抗氧化性能和耐腐蚀性能，增强材料在恶劣环境下的稳定性。

基于以上背景，研究Ce对高铝青铜超音速等离子喷涂层组织及性能的影响具有重要的理论意义和实际应用价值。从理论角度来看，深入探究Ce元素在高铝青铜喷涂层中的作用机制，有助于丰富和完善材料表面改性的理论体系，为进一步优化涂层性能提供理论指导。从实际应用角度出发，通过添加Ce元素来改善高铝青铜喷涂层的性能，能够提高涂层在各种复杂工况下的可靠性和使用寿命，降低设备的维护成本和更换频率，具有显著的经济效益和社会效益。同时，这也有助于拓展高铝青铜的应用领域，推动相关产业的发展和升级。

1.2国内外研究现状

高铝青铜凭借其出色的强度、硬度、耐磨及耐腐蚀性，在国内外受到广泛研究。学者路阳、周晶晶等采用超音速火焰喷涂（HVOF）技术制备铝青铜（Cu-14Al-X）粉体材料涂层，并与304不锈钢进行滑动干摩擦试验，发现HVOF高铝青铜涂层在滑动干摩擦条件下的主要磨损形式是粘着磨损及轻微的磨粒磨损，摩擦热使涂层达到理想粘着摩擦表面的要求，因而具有优良的减摩性能，尤其是在高载荷条件下，且涂层硬度（HV）为500，保证了较低的磨损率，属于轻微磨损。在高铝青铜涂层的制备工艺研究中，兰州理工大学的研究团队采用超音速等离子喷涂技术在45＃钢基体上制备Ni60/高铝青铜梯度涂层，并进行高频感应重熔处理，通过SEM、XRD等手段分析发现，超音速等离子喷涂层在基体/Ni60结合面处以机械咬合为主，在Ni60/高铝青铜涂层界面处有轻微熔结特性，形成机械结合和轻微冶金结合的混合结合方式，感应重熔后，Ni60中间层分别与基体、高铝青铜涂层进行充分的双向扩散熔合，形成结构致密、无孔隙的冶金扩散带和完全一体化涂层，涂层中元素扩散呈现梯度形式。

在稀土元素Ce应用于金属材料方面，也取得了不少成果。有研究表明，在钢铁中添加Ce元素，能形成含铈硫氧化合物，起到脱氧、脱硫和脱砷的作用，净化钢液，促进钢液凝固形核，细化组织。在铁素体不锈钢中添加Ce或同时复合添加一定量W，能显著降低高温下的氧化反应速率，使形成的氧化膜更加均匀致密，具有良好的附着性，在氧化膜/基体界面处缺陷数量明显减少，且添加Ce或同时添加Ce和W元素可以降低(Fe,Cr,Si)2(Nb,Mo)型Laves相在1000