WC-Co涂层A356.2/RHA复合材料的机械阻尼和储能模量的研究

工程科学与技术，国际期刊23（2020）1285短通信WC-Co涂层A356.2/RHA复合材料Siva Prasad DoraSunday，Shoba Chintada，Tualsi Radha Palukuri，Srinivasa Rao Pujari部印度维沙卡帕特南530045 GITAM（被视为大学）机械工程学院阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2020年2020年4月3日修订2020年4月3日接受2020年4月23日在线提供保留字：阻尼最佳涂层厚度WC-Co涂层复合材料A B S T R A C T本文研究了WC-Co涂层A356.2及其与富硅稻壳灰（RHA）颗粒复合材料的能量耗散、机械阻尼和储能模量所有的试样都使用HVOF技术涂覆，通过MATLAB得到的最佳涂层厚度为100 μm。在35 °C至150 °C的温度范围内，使用动态机械分析仪在三个不同的频率（0.1、1和10 Hz）下测量阻尼和储能模量。这些结果的内省表明，机械阻尼和储能模量已与RHA的掺入得到改善，并进一步增加与RHA含量的增加。此外，涂层WC-Co样品表现出比基础合金及其复合材料更高的机械阻尼，然而，已经注意到储能模量的损失，这是由于存在W2C阶段。孔隙率、硬度和残余应力是提高WC-Co涂层Al/RHA复合材料阻尼性能©2020 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍航空和汽车工业的下一代工程的有前途的概念依赖于金属基复合材料（MMC）的使用。低密度、高比强度、高刚度、耐腐蚀性和疲劳性以及低热膨胀系数（CTE）等特性使铝（Al）及其合金比其他候选材料更适合[1，2]。然而，Al-MMC的低阻尼能力限制了它们的使用，特别是在动态应用中。因此，结构材料的潜在挑战在于能够承受诸如振动衰减和不良噪声等因素，这些因素可以通过增强阻尼特性来实现[3，4]。Rohatgi[3]和他的同事测量了混合有石墨和碳化硅颗粒的铝基复合材料的阻尼能力，并揭示了增强物起着有效的作用。作者报告称，与碳化硅（SiC）颗粒相比，石墨具有增强的阻尼能力。机械阻尼基本上被描述为任何材料在重复载荷下将弹性应变能耗散成另一种形式的不可恢复的能量的能力。[5]已经表明，工程设计中的机械振动可以通过使用阻尼器或使用具有高阻尼的材料来减少。阻尼器可能会增加结构的总重量，因此使用高阻尼材料将是有益的*通讯作者。电子邮件地址：sdora@gitam.edu（S.P. 多拉）。由Karabuk大学负责进行同行审查因为它们有助于具有高阻尼能力的更好的机械性能。采用MMC时，影响阻尼的因素有基体、增强体、界面空隙、增强体颗粒尺寸、形状、设计和体积分数等。近年来，农业废弃物（稻壳灰）和工业废弃物（粉煤灰）作为增强相在铝基复合材料中的应用越来越重要。在铝混合物中添加稻壳灰（RHA）粉末可提高力学、摩擦学和阻尼性能[6KennethKanayo Ala- neme和PeterApata Olubambi[10]研究了用RHA增强的Al-Mg-Si合金的腐蚀和磨损行为他们证明，发现耐腐蚀性和耐磨性随着RHA含量的增加而增加。复合材料中的阻尼被发现是复杂的，并且对纤维体积比、温度、湿度和加载频率敏感[11]。自20世纪80年代以来，人们迫切需要研究提高阻尼性能的技术从各种工作中，据报道，MMC的阻尼性能有显着的改善涂层沉积。Bert等人[12]讨论了涂层如何从他们进行的调查中表现出增强的结构阻尼。 涂层结构与复合材料之间的界面对阻尼性能的提高起着重要的作用。由于涂层技术改善了表面特性、阻尼、耐磨性和耐热性，因此正在进行大量工作。Christopher Blackwell等人[13]成功地研究了阻尼特性的评估。在钛板表面镀上一层硬涂层，如镁铝尖晶石（MgO +Al2O3https://doi.org/10.1016/j.jestch.2020.04.0012215-0986/©2020 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestch××.！1个=2个CSSCCCC22S11286S.P. Dora等人/工程科学与技术，国际期刊23（2020）1285并观察到该涂层降低了风扇和涡轮叶片的内应力。他们的贡献证实，涂层表现出改善的阻尼，即使在低应变水平。当涂覆不同尺寸的准晶AlCuFe颗粒时，铝表面层的耐磨性得到改善[14]。据了解，高硬度以及耐磨性实现从他们的研究。观察到诸如碳化钨-钴（WC-Co）的陶瓷涂层由于其优异的机械和摩擦学特性而更有益。硬质Co基体中的WC颗粒使其组合非常出色。高质量的碳化物涂层广泛用于耐磨、滑动、微动磨损和耐腐蚀的生动应用[15]。制备WC-Co涂层的主要方法有空气等离子喷涂（APS）、离心喷涂（DPS）和超音速火焰喷涂（HVOF）。当Josep等人[16]使用HVOF方法在铝基底上沉积CrC 75-NiCr 25和WC86-Co 10 Cr 4涂层时，观察到具有良好连续性的致密涂层。由于其较高的速度和较低的飞行颗粒温度，HVOF技术被发现非常有利于生产具有高硬度，接触角和更好的摩擦学性能的涂层，与等离子喷涂涂层相比[17]。从文献中，几乎看不到WC-Co涂层金属基复合材料的阻尼行为。为此，本文采用超音速火焰喷涂技术制备WC-Co陶瓷涂层，以改善A356.2/RHA复合材料的阻尼性能。2. 材料和方法在本研究中，A356.2合金被认为是基体材料。在不同的铸造铝合金中，A356.2合金由于其出色的可铸造性、加工属性和更高的耐腐蚀性而被最广泛地使用。采用农业废弃物RHA作为加固材料。RHA是一种富含二氧化硅的材料，具有低密度和低成本的增强效果，可大量获得，其化学成分在其他地方提供[4]。采用搅拌铸造法制备了复合材料。然后使用HVOF技术用WC-Co沉积样品。所有样品均涂覆有100 μ m的最佳涂层厚度，该涂层厚度通过数值技术获得，该数值技术在先前的研究中与涂层沉积参数一起提供[18]。Perkin Elmer DMA用于在双悬臂梁布置下在0.010%的恒定应变振幅和10 N的动态载荷下在10、1和0.1 Hz的不同频率下从室温（35 °C）至150 °C检查所有样品的阻尼行为。样品的尺寸为40毫米，10毫米，1.3毫米的加工使用Electronica线-EDM阻尼研究。使用PAN alytical X-Pert Pro XRD测量所有样品的残余应力用布氏硬度计测定了试样的硬度3. 最佳涂层厚度对于涂层结构，模量和损耗角正切由以下公式给出，这些公式取自作者以前的作品和其他文献[18E¼Ec=1-tcEc=Es2tc=1-tc2Ec=Estc=1-tcpffi ffi2ffiffiðffi1ffi ffiþffi ffitffiffiaffinffi ffidffi ffisffitffiaffiffinffiffidfficffiffiÞffiffiffiffiffiffiffiE=E其中tc是涂层厚度，Es、Ec分别是基底和涂层材料的储能模量运行MATLAB程序以估计最大Etand的最佳涂层厚度。 考虑最大Etand，因为材料应吸收最大振动（tand），并且应具有高刚度（E）。4. 结果和讨论4.1. 最佳涂层厚度MATLAB结果表明，最佳涂层厚度为0.105mm，接近100μm，并且在所有阻尼试样上沉 积 相 同 的 厚度。4.2. A356.2及其复合材料作者在其他地方研究了铝及其复合材料的阻尼行为[21]，在此提供相同的内容以供快速参考。A356.2合金和Al/x%RHA（x = 2、4、6）复合材料的阻尼能力和储能模量数据（DMA记录）如图1a-d图1a表示A356.2合金的阻尼行为。从图中可以发现，对于所有频率（10、1和0.1Hz），机械阻尼随着温度的增加而增加，并且随着频率的增加而表现出增加的模式，而储能模量随着温度的增加而趋于下降，并且关于频率。甚至注意到，阻尼和模量随着增强相的掺入而增加，并且随着增强相的增加而进一步增加。这些趋势如图1复合材料的阻尼性能随频率的增加有明显的下降趋势。由于增强相结合到基体中，可以在结晶材料中证实各种机制，例如热弹性、本征、界面、点缺陷、晶界和热失配。在此未详细说明通过钢筋增加阻尼的机制，而是在初步工作中进行了设想和描述[214.3. WC-Co涂层A356.2及其复合材料的阻尼特性WC-Co涂层A356.2及其复合材料的阻尼特性如图2图2a显示了涂覆WC-Co的基体合金的模量和阻尼。从图中可以看出，随着WC-Co的沉积，试样的储能模量有下降的趋势。在0.1 Hz时，A356.2的储能模量是发现到被56.9MPa和降低到近38.9 MPa，进一步沉积。然而，63.8 WC-Co涂层Al/6%RHA复合材料的抗压强度最大。有人进一步称赞，存储模量随着温度的升高而降低，关于本文研究的所有频率。随着WC-Co涂层的沉积，机械阻尼增加。在0.1 Hz时，发现阻尼A356.2合金为0.005，随着沉积的进一步进行，其值上升到0.0067，在室温下达到最大值0.41。此外，可以看出，涂覆的未增强合金的阻尼行为随着温度的升高而增加。有趣的是，阻尼行为被发现增加与增加频率显示反向联合国的趋势1/4Ec=Esq1tand2tc=1-tcq1tand2ð2Þ涂层试样。Al/x%RHA（x = 2，4，6）复合材料的模量和机械阻尼数据，如DMA所记录的，如图所示。 2 b-tandð1ÞCs一0.1 Hz1 Hz10 HzB0.1 Hz1 Hz10 HzS.P. Dora等人 /工程科学与技术，国际期刊23（2020）1285-1290128757500570005650056000555005500054500540000.0120.0100.0080.0060.0040.0026500064000630006200061000600000.060.050.040.030.020.0153500万20 40 60 80 100 120 140 160温度（℃）59000 0.0020 40 60 80 100 120 140 160温度（℃）675006700066500660006550065000645006400063500C0.1 Hz1 Hz10 Hz20 40 60 80 100 120 140160温度（℃）0.070.060.050.040.030.020.010.00740007350073000725007200071500D0.1 Hz1 Hz10 Hz20 40 60 80 100 120 140160温度（℃）0.100.080.060.040.020.00Fig. 1. a）A356.2合金b）A356.2/2% RHA增强复合材料c）A356.2/4% RHA增强复合材料d）A356.2/6% RHA增强复合材料的阻尼特性。39500390000.070.0657500570000.070.06385003800037500370000.050.040.030.020.0156500560005550055000545000.050.040.030.020.013650020 40 60 80 100 120 140160温度（℃）0.005400020 40 60 80 100 120 140160温度（℃）0.006200061000600005900058000570000.080.060.040.02650006400063000620006100060000590000.180.160.140.120.100.080.060.040.025600020 40 60 80 100 120 140160温度（℃）0.005800020 40 60 80 100 120 140160温度（℃）0.00图二、WC-Co涂覆的a）A356.2合金b）A356.2/2%RHA增强复合材料c）A356.2/4%RHA增强复合材料d）A356.2/6%RHA增强复合材料的阻尼特性一0.1 Hz1 Hz10 HzB0.1 Hz1 Hz10 HzC0.1 Hz1 Hz10 HzD0.1 Hz1 Hz10 Hz储能模量（MPa）储能模量（MPa）储能模量（MPa）储能模量（MPa）tan deltatan deltatan delta储能模量（MPa）tan delta储能模量（MPa）储能模量（MPa）储能模量（MPa）tan deltatan deltatan deltatan delta1288S.P. Dora等人/工程科学与技术，国际期刊23（2020）1285表1A356.2及其复合材料的硬度值发现在所有情况下，LUS曲线随着温度的升高而下降。然而，随着温度的升高，A356.2A356.2/2%RHA复合A356.2/4%RHA复合A356.2/6%RHA复合增加频率。WC脱碳生成W2C，导致WC含量降低BHN68 ± 3 73 ± 3 79 ± 2 82 ± 2D. 涂层Al/x%RHA（其中x = 2，4，6）复合材料的阻尼能力明显地显示出令人羡慕的增加，在室温下比A356.2合金的阻尼能力高近10倍，在150 °C下高近7倍。此外，阻尼行为被发现增加与未涂覆的Al/RHA复合材料相比，显示相反的趋势与频率的现代-所有WC-Co涂覆样品的储能模量。该相的存在导致硬质相的损失，从而导致金属基体脆化。模量随温度增加的损失是由于材料的刚度随温度的损失。WC-Co涂覆的基础合金及其复合材料的阻尼能力的增加可以在以下子标题中解释：4.3.1. 硬度A356.2和Al/RHA复合材料的测量硬度值列于表1中。经鉴定，硬度增加图三. a）涂层与基体合金之间的界面b）涂层与Al/6%RHA复合材料之间的界面的横截面SEM显微照片。S.P. Dora等人 /工程科学与技术，国际期刊23（2020）1285-12901289随着RHA百分含量的增加。硬度的增加可归因于基体中硬增强相的存在。由于RHA是富含二氧化硅的灰分，其含有90%以上的二氧化硅（SiO2），其在相中更硬，并且该相的掺入增加了合金的硬度由于基体合金较软，高速WC-Co涂层很容易射入软基体合金中，从而在涂层和基体之间形成良好的机械结合[27]。另一方面，由于复合材料上的WC-Co涂层由于RHA增强体的硬度增加而不能容易地渗透到材料中，这导致界面处的机械结合相对较低，这可以从如图3所示的横截面SEM显微照片中明显看出。随着增强体含量的增加，这种特性更加显著。因为阻尼是能量的损失由于循环载荷，当与WC-Co涂覆的复合材料相比时，WC-Co涂层与基体合金之间的强界面结合将消耗低能量。由于WC-Co涂层与合金之间的结合力相对较低，因此可以考虑在界面处的界面滑移以获得高的能量耗散。因此，硬度可以被认为是WC-Co涂层Al/RHA复合材料具有较高阻尼能力4.3.2. 残余应力复合材料中残余应力的发展是一种常见的现象，研究这种有害应力在当今的情况下是至关重要的基体和增强材料之间的热失配导致复合材料中的残余应力[24此外，已知基质和增强体两者都是热和机械各向同性的。此外，高速冲击的WC-Co涂层的材料诱导残余应力。WC-Co涂层复合材料上的残余应力是由于热失配引起的残余应力和由于WC-Co涂层沉积引起的残余应力的总和（如果测量的应力在表面以下几微米）。从XRD获得的A356.2合金和A356.2/6%RHA复合材料的d-间距与sin 2（Psi）的关系图如图所示。 四、结果表明，WC-Co涂层基体合金和WC-Co涂层6%增强复合材料的残余压应力约为68.5MPa，残余拉应力约为10.2MPa。6%增强RHA复合材料的残余应力性质的变化可能是由于CTE随着增强的增加而降低，如早期研究[23]所述。这也与Oladijo等人的研究结果一致[28]。此外，复合材料硬度的提高也可能是Al/6%RHA复合材料中残余应力产生的原因之一。当施加循环载荷时，拉伸残余应力在表面上引发微裂纹。由于微裂纹是能量耗散的来源，WC-Co涂层复合材料的阻尼能力随着RHA含量的增加而增加。4.3.3. 孔隙率孔隙是涂层和复合材料中的一种常见现象孔隙的存在表明空隙的存在。此外，颗粒和基质之间的界面就像一个空隙。因此，这些空隙将充当能量耗散的来源随着RHA含量的增加，这方面更加值得注意。因此，WC-Co包覆Al/RHA复合材料的阻尼随RHA含量的增加而增大。在研究中考虑的WC-Co颗粒约为37微米，可以被视为粗颗粒。通常，粗颗粒将比细颗粒具有更多的结构缺陷，因此通过这些结构缺陷将消耗更多的热能。由于脱碳而产生的游离碳也会相互作用图四、d-间距与sin 2（Psi）a）A356.2合金b）A356.2/6%RHA复合材料。与大气中的氧气产生二氧化碳，二氧化碳可以被埋在涂层中形成孔隙，这实际上有助于改善阻尼特性。 然而，储能模量被发现随着WC-Co的沉积而降低。涂层上的孔隙的存在也在储能模量的降低中起着突出的作用。5. 结论研究了WC-Co涂层A356.2合金及其复合材料的力学阻尼和储能模量。从研究中可以清楚地看出，A356.2合金的储能模量随着RHA的添加而增加，并且由于增强的刚度增加而随着RHA含量的增加而进一步增加。A356.2合金的储能模量随着WC-Co涂层的沉积而降低，这是由于W2 C相的存在。而WC-Co包覆Al/RHA复合材料的弹性模量随着RHA含量的增加而在这项工作中检查的所有情况下，由于材料刚度随温度的降低，储能此外，机械阻尼被发现随温度增加的所有情况下。同样可以看出，机械阻尼随着RHA含量的增加而增加此外，阻尼随WC-Co的沉积而增大，随RHA含量的增加而进一步增大复合材料的硬度、涂层表面的残余应力和孔隙率对阻尼性能的提高起着1290S.P. Dora等人/工程科学与技术，国际期刊23（2020）1285竞争利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作。致谢作者希望感谢印度新德里科学技术部科学与工程研究委员会在青年科学家计划快速通道提案（批准号SB/FTP/ETA-0155/2013，日期2013年7月9日）下提供的财政支持。引用[1] Z.M. Gasem，Compos. B Eng.43（8）（2012）3020-3025。[2] L. Dyachkova，E.E.费尔德施泰因工程学学士 45（1）（2013）239-247。[3] P.K. Rohatgi，D. Nath，S.S. Singh，B.N. Keshavaram，J. Mater. Sci. 29（1994）5975-5984。[4] D.S.普拉萨德角Shoba，B.S.普拉萨德，脱线。Sci. Eng.A591（2014）78-81。[5] R. Szier，J. Alloys Compd. 355（2003）131-135。[6] Kenneth Kanayo Alaneme，Kazeem Oladiti Sanusi，工程科学。技术人员：18（3）（2015）416-422。[7] Ch. Shoba，N. Ramanaiah，D. Nageswara Rao，工程科学技术人员：18（4）（2015）658-663。[8] Dora Siva Prasad，Chintada Shoba，J. Mater. Res. Technol. 5（2）（2016）123-130.[9] D. Siva Prasad，A.Rama Krishan，J.Mater. Sci. Technol. 28（4）（2012）367-372。[10] Kenneth Kanayo Alaneme，Peter Apata Olubambi，J. Mater. 2（2）（2013）188-194。[11] P.Q. 张建辉Ruan，W.Z.Li，Cryogenics 41（2001）245-251.[12] Bert，C.W. ASME冬季会议，1980年。[13] 克里斯托弗·布莱克威尔，安东尼·波拉佐托，汤米·J·乔治，查尔斯·J·克罗斯，休克振动。14（2007）37-51。[14] B.N. 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