冷喷涂金属/陶瓷涂层制备工艺及涂层性能研究

论文摘要

随着航空、航海技术的快速发展,对发动机、内燃机材料强度的要求不断提高,尤其是处于腐蚀环境中的部件,常规涂层和阴极保护技术无法满足其长效防护的要求,因此,耐腐蚀、耐高温及抗磨损的新型材料不断涌现,喷涂金属/陶瓷涂层是目前提高内燃机、发动机经济性和可靠性最有效的方法。金属/陶瓷复合涂层既有良好的隔热效果,又有耐磨、耐腐蚀及热冲击性能,在高温工作的材料中得到了广泛的应用。中间过渡层的引入缓解了因金属与陶瓷的热膨胀系数差异引起的热应力,使涂层的内聚强度和涂层与基体的结合强度都得到明显提高,从而改善涂层的抗热震性能,提高涂层的服役寿命。冷气动力喷涂是一种新兴的技术,该技术是一种基于空气动力学原理的材料表面改性新技术,它利用低温（〈600℃）预热高压气体携带粉末颗粒经缩放型拉瓦尔喷管形成超音速气-固双相流,以超高速在完全固态下撞击基体。在整个过程中由于喷涂温度低,粒子保持固体状态、不会发生化学反应及相变、不易发生固体粒子长大及氧化现象。在一定程度上弥补了热喷涂技术的缺陷,为改善复合涂层耐高温耐腐蚀性能开辟了新的道路。论文从金属/陶瓷涂层的隔热特性、热应力分析入手,用ansys有限元软件分析了不同材料组成、不同厚度、不同结构涂层的隔热特性和热应力分布,得出了涂层隔热特性及热应力与涂层材料、结构、厚度的关系,为复合涂层结构的选定提供指导。利用数值模拟软件Gambit、Fluent等,计算CoNiCrAlY和ZrO2颗粒在喷涂过程中由喷嘴入口至基板的撞击速度,研究不同的颗粒尺寸、气体、入口温度、压力和环境压力等工艺参数及喷嘴结构对颗粒撞击速度的影响,将冷喷涂工艺参数定为:喷涂气体选择氦气,喷涂温度:450～500℃,喷涂压力:1.5～3.0Mpa,喷涂距离:15～30mm,膨胀比:5～10。并用ANSYS/LS-DYNA软件模拟了CoNiCrAlY和ZrO2颗粒喷涂撞击过程,为冷喷涂制备金属/陶瓷复合涂层提供理论依据。本论文解决了复合涂层中合金粘结底层的制备工艺及其性能研究。用氦气作为主气制备了CoNiCrAlY合金涂层、ZrO2-CoNiCrAlY金属/陶瓷涂层、Al-CoNiCrAlY涂层。因氦气价格高而且用量大,使喷涂的成本较高,为了降低喷涂成本,尝试使用空气制备CoNiCrAlY合金,由数值分析可知:空气作为主气时,达不到CoNiCrAlY合金的临界速度,所以喷涂效果不是很好。在CoNiCrAlY合金里加入10%和5%的铝,用空气制备出了结构致密的Al-CoNiCrAlY合金涂层。运用扫描电镜（SEM）、能谱分析（EDS）对制备的涂层进行表观形貌分析,发现喷涂粒子之间是通过高速碰撞发生强烈塑性变形而结合在一起,涂层内部致密性很好,喷涂过程中未发生明显氧化;通过对涂层显微硬度的测试表明,由于冷喷涂过程中喷涂粒子的喷丸强化作用,冷喷涂合金涂层的显微硬度较高,尤其是添加了ZrO2的合金涂层,这说明涂层的局部抗压、耐磨性能较好;对涂层孔隙率的分析表明,冷喷涂合金涂层的孔隙率非常低,说明涂层较致密,不存在贯穿到基体的孔隙,可以有效防止腐蚀介质的渗透;结合强度试验表明,断裂都是发生在涂层与基体之间,冷喷涂合金涂层内部的结合强度比涂层与基体之间高。抗热震性试验表明,冷喷涂合金涂层的抗热震性性能很好,添加了ZrO2的合金涂层经过12次的热震试验后发生局部剥落;添加了Al的合金涂层经过12次热震试验后涂层依然没有剥落,说明冷喷涂制备的合金涂层抗热震性能很好。海水浸泡试验和中性盐雾试验表明,冷喷涂合金涂层结构致密,孔隙率低,可以较好的阻止腐蚀介质向涂层内部及基体渗透,延长了涂层的使用寿命,有效的保护了基体。因为本论文是在相关文献很少的基础上用冷喷涂技术制备的金属/陶瓷涂层,并进行了冷喷涂参数的优化及涂层性能分析。整个研究需要深入涉及的内容较多,应用到实际工业生产还有许多内容需要进一步地深入和完善。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 前言
• 1. 文献综述
• 1.1 金属/陶瓷涂层
• 1.1.1 CoNiCrAlY 合金涂层
• 1.1.2 金属/陶瓷复合涂层
• 1.1.3 金属/陶瓷复合涂层材料的选择及结构的优化设计
• 1.2 热喷涂制备技术
• 1.2.1 电子束物理气相沉积法（EB-PVD）
• 1.2.2 火焰喷涂（Flame Spray）
• 1.2.3 等离子喷涂（APS）
• 1.2.4 超音速火焰喷涂（HVOF）
• 1.2.5 爆炸喷涂（Detonation Spray）
• 1.3 冷气动力喷涂制备技术
• 1.3.1 冷喷涂技术的原理
• 1.3.2 冷喷涂装置
• 1.3.3 冷喷涂工艺参数
• 1.3.4 冷喷涂技术的特点
• 1.3.5 冷喷涂金属/陶瓷涂层性能表征方法
• 1.4 冷喷涂技术的研究现状
• 1.5 本文研究目的
• 2. 试验材料与研究方法
• 2.1 试验试剂与原料
• 2.1.1 化学试剂
• 2.1.2 冷喷涂试验原始粉末
• 2.2 试验仪器和试验方法
• 2.2.1 试验仪器
• 2.2.2 冷喷涂设备
• 2.2.3 涂层试样处理
• 2.2.4 试验方法
• 3. 金属/陶瓷复合涂层结构及组分的 ANSYS 有限元模拟热分析
• 3.1 引言
• 3.2 涂层的稳态热分析
• 3.2.1 分析目的及基本步骤
• 3.2.2 热分析操作过程
• 3.2.3 分析结果与讨论
• 3.3 涂层瞬态温度场分析
• 3.3.1 分析目的及步骤
• 3.3.2 分析结果与讨论
• 3.4 涂层应力分析
• 3.4.1 分析目的及方法
• 3.4.2 分析结果及讨论
• 3.5 小结
• 4. 冷喷涂制备工艺参数的优化选择及喷涂颗粒撞击模拟研究
• 4.1 引言
• 4.2 冷喷涂制备工艺参数的优化
• 4.2.1 试验方法和研究内容
• 4.2.2 结果及分析
• 4.3 金属/陶瓷涂层冷喷涂制备及参数选择
• 4.4 冷喷涂颗粒撞击模拟研究
• 4.4.1 研究目的与方法
• 4.4.2 结果分析
• 4.5 小结
• 5. 冷喷涂金属/陶瓷涂层的性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 研究方法及内容
• 5.3 涂层的性能研究
• 5.3.1 涂层的表面形貌及能谱分析
• 5.3.2 涂层抛光态横截面形貌
• 5.3.3 涂层孔隙率分析
• 5.3.4 涂层X 射线衍射分析
• 5.3.5 显微硬度测试
• 5.3.6 涂层耐海水腐蚀性能研究
• 2-CoNiCrAlY 涂层性能研究'>5.4 ZrO₂-CoNiCrAlY 涂层性能研究
• 5.4.1 涂层表面形貌
• 5.4.2 涂层横截面的形貌
• 5.4.3 涂层显微硬度测试
• 5.4.4 孔隙率分析
• 5.4.5 海水浸泡试验
• 5.4.6 抗热震性分析
• 5.5 Al－CoNiCrAlY 合金涂层性能研究
• 5.5.1 氦气和空气为主气制备的添加铝15%的合金涂层性能研究
• 5.5.2 添加铝10%和5% 的合金涂层的性能研
• 5.6 小结
• 6 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 硕士期间发表的学术论文