梯度涂层的组织和性能及有限元分析

论文摘要

高炉风口由纯铜制造,它是高炉上比较重要且损坏频率较高的部件,它长期在恶劣的环境下工作,长期承受着高温炉气的冲刷,高速煤粉的磨蚀和炉料的撞击。目前国内生产的风口的寿命较低,平均使用寿命仅有两个月左右。频繁地更换风口使高炉运行的稳定性降低、产量减少、工人的劳动强度增大。因此研究如何提高风口使用寿命有很大的实际意义。本文以高炉风口应用为背景,进行了梯度涂层的设计,并采用等离子喷涂法制备了ZrO2-NiCrAlY梯度涂层;对所制备的涂层进行了组织和结构分析、结合强度测试、抗热震性能测试、温度场模拟、温度场理论计算和热应力模拟。试验结果表明:陶瓷层中存在一定量的孔隙和微裂纹,孔隙的形貌主要为近球形和长条形。NiCrAlY涂层具有明显的层状结构,存在一定量的孔隙。达到稳态时,纯铜风口最高温度为337℃（610K）,最低温度为38℃（311K）,梯度涂层风口最高温度为364℃（637K）,最低温度为38℃（311K）。风口前端总是承受最高温的区域,紫铜风口的高温直接作用在紫铜上,而涂层风口的高温部位却在涂层的内部,有效降低了基体紫铜的温度。双层涂层和梯度涂层界面结合处都存在较大的应力集中。与双层涂层相比,梯度涂层中过渡层的应用缓和了涂层中的应力突变。涂层的结合以机械结合为主,梯度涂层具有较高的结合强度,梯度涂层内部是基体-涂层体系中最薄弱的环节。ZrO2-NiCrAlY梯度涂层的800℃抗热震性优于ZrO2/NiCrAlY双层涂层。600℃热处理试验后,基体与涂层之间出现了扩散层。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 课题的研究意义
• 1.1.2 国内外研究现状
• 1.1.3 高炉风口的发展趋势
• 1.2 功能梯度材料的发展
• 1.2.1 功能梯度材料的简介
• 1.2.2 功能梯度材料的设计原理和流程
• 1.2.3 梯度分布组成优化设计
• 1.2.4 功能梯度材料的制备方法
• 1.2.5 功能梯度材料的特性评价
• 1.3 等离子喷涂技术的应用及发展前景
• 1.3.1 等离子喷涂技术的基本原理
• 1.3.2 等离子喷涂技术的主要特点
• 1.3.3 等离子喷涂技术的主要工艺参数
• 1.3.4 等离子喷涂技术的发展前景
• 1.4 本文选题意义及主要研究内容
• 第二章 实验材料、设备及方法
• 2.1 研究方法及技术路线
• 2.2 喷涂材料、试样及设备
• 2.2.1 基体材料及尺寸
• 2.2.2 喷涂材料
• 2.2.3 喷涂设备
• 2.3 涂层的制备
• 2.4 涂层的组织观察及性能检测方法
• 2.4.1 涂层金相试样的制备和组织分析方法
• 2.4.2 涂层性能测试方法
• 第三章 涂层的显微组织与结构分析
• 3.1 涂层的组织结构
• 3.2 涂层各区域的组织观察和分析
• 3.2.1 陶瓷涂层的组织形貌
• 3.2.2 金属粘结层的组织
• 3.2.3 梯度涂层的组织
• 3.3 本章小结
• 第四章 涂层的有限元分析
• 4.1 高炉风口的温度场模拟
• 4.1.1 高炉风口的结构和尺寸
• 4.1.2 传热问题的基本导热方程
• 4.1.3 热传导问题的定解条件
• 4.1.4 梯度涂层材料性能的确定
• 4.1.5 纯铜风口温度场模拟结果及分析
• 4.1.6 梯度涂层风口温度场模拟结果及分析
• 4.1.7 涂层的隔热性能
• 4.1.8 温度场模拟结果的理论验证
• 4.2 涂层热应力的有限元分析
• 4.2.1 应力场模拟的数学模型
• 4.2.2 模拟结果及讨论
• 4.3 本章小结
• 第五章 涂层的结合强度及抗热震性能
• 5.1 涂层的结合强度
• 5.1.1 涂层结合强度的分析方法
• 5.1.2 试验结果与讨论
• 5.1.3 涂层断口形貌分析
• 5.2 涂层的抗热震性能
• 5.2.1 热震时间的确定
• 5.2.2 涂层抗热震性能的分析方法
• 5.2.3 试验结果与分析
• 5.3 涂层界面扩散行为的研究
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢