论文摘要
冷气动力喷涂技术是一项全新的表面覆层技术,喷涂原理是利用气流加速粒子使其以固态高速碰撞基板表面形成涂层。其优势在于可以实现化学性质较为活泼的还原性金属涂层的制备,例如在连铸结晶器基板上制备铬锆铜涂层,有效避免了传统喷涂技术制备涂层过程中由于热效应引起的各种缺陷。将这项技术应用于修复受损连铸结晶器,可以延长结晶器的平均使用寿命,具有重要的学术价值和工程意义。为了探索工艺参数对冷喷涂铬锆铜涂层的影响,本文采用统计学中的响应曲面实验法对载气温度和载气压力两个气体参数进行优化。通过对涂层沉积率、致密度、显微硬度及摩擦磨损性能的分析,确定使涂层性能达到最佳状态的工艺参数。利用金相、扫描电镜、电子探针和显微硬度仪、微摩擦测试仪和激光导热仪、拉伸实验机等手段表征了冷喷态铬锆铜涂层组织与性能,探讨了冷喷涂铬锆铜粒子的结合机理及涂层厚度、合金元素等对涂层组织性能的影响。利用示差扫描量热分析仪及激光共焦扫描显微镜对涂层退火工艺参数进行了探索,并分析了退火温度对涂层组织和性能的影响规律。研究结果表明:载气温度和载气压力对冷喷态涂层沉积率、致密度等各项性能影响显著。两项参数影响能力主要体现在对粒子轰击速度的贡献上,但其对涂层性能的影响方式各不相同。借助Minitab软件分析得到,当喷涂气体参数为370℃和2MPa时涂层性能达到最佳。冷喷涂铬锆铜涂层中两种结合机制,即绝热剪切机制和机械咬合机制并存,但机械咬合机制占主导地位,涂层力学性能表现为脆性。涂层厚度对冷喷态涂层的力学性能影响不明显,微锻效应无累加效果,作用范围小,仅在距表层3~5个粒子层间有所体现,属于短程效应。但其对冷喷涂涂层的力学性能有重要影响,冷喷态涂层的致密度达98.02%,显微硬度比铬锆铜基板高21.2%。通过研究冷喷涂铬锆铜涂层在退火过程中的热流变化,发现涂层吸热能量锋出现三个拐点,即涂层的退火过程包括三个热流加速转变区间。将原位观察手段及涂层性能变化规律相结合后进一步发现,这三个组织加速转变区间分别对应涂层的变形组织回复阶段、再结晶形核与晶粒长大阶段、以及内部颗粒界面融合阶段。由此可知退火350℃为冷喷涂铬锆铜合金的去应力退火阶段,570℃时,再结晶形核及长大速率最高,此温度区间涂层性能变化最大。与块体铜合金材料不同的是,冷喷涂材料在退火过程中具有第三个能量转变锋,即870℃粒子界面的愈合。由于粒子界面的消失需要的激活能最大,能量释放也更为显著。退火后涂层各项性能可由以上涂层退火特征温度的晶体结构演变解释。随退火温度的升高,涂层孔隙率增大。500℃退火后,涂层开始出现塑性屈服,抗拉强度达到最大值140MPa。随退火温度的升高,尽管涂层塑性进一步得到改善,但涂层内部孔隙的增多导致涂层抗拉强度下降。综合各项性能指标,500℃退火使涂层性能达到最优,此时涂层具有与基体材料较为相近的硬度,最高的抗拉强度和相对较高的延伸率和导热率。