爆炸喷涂Cr3C2-NiCr涂层工艺及性能研究

摘要

热喷涂技术因其所制备的涂层可重复获取、节省资源、性能佳，在国家国防和航空航天等重要领域以及民生中的应用越来越多。针对烟气轮机叶片的工作条件，采用热喷涂技术中的爆炸喷涂，进一步提高其表面性能，更好地保护叶片基体。由于爆炸喷涂在工业应用当中，会因为生产需求和设备的原因而选择不同的燃气，本文以丙烷为爆炸喷涂的燃气，选择五种氧燃比工艺制备出Cr3C2-NiCr涂层，并对五种氧燃比涂层的性能进行测试及微观形貌组织进行表征，研究不同氧燃比对涂层结构和性能的影响规律。 以GH864为基体材料，Cr3C2-NiCr粉末为涂层材料，按照氧化焰、中性焰和还原焰这三种爆炸焰流制备出五组金属陶瓷复合涂层。依据烟气轮机叶片的性能测试要求，对涂层的热震性、硬度、韧性、摩擦磨损和氧化性能进行测试，对涂层表面和截面的形貌组织进行表征分析，探究氧燃比对涂层性能的影响机理。 涂层热震试验结果表明，氧化焰涂层和中性焰涂层在其他条件不变的情况下不能保证涂层有效使用厚度，涂层无效；还原焰三组涂层经800℃等温反复水淬，均满足烟气轮机叶片热震试验要求，且随氧燃比的增加，在氧燃比为2.9和3.4时，其抗冷热疲劳性能较好。 涂层硬度试验结果表明，氧化焰、中性焰和还原焰涂层的硬度随氧燃比的增大，先增大后减小，当氧燃比为3.4时涂层的硬度最高，达到686.5HV1。还原焰涂层开裂韧性试验结果表明涂层的开裂韧性与其硬度结果呈反比。 还原焰涂层孔隙率测算结果表明，涂层孔隙率随氧燃比的增加先减小再增大，氧燃比为2.9时涂层孔隙率最低，为0.930%。 涂层表面XRD和SEM结果表明，当喷涂气氛由还原性变为氧化性时，Cr3C2颗粒分解程度加剧，在氧燃比达到5.1时几乎全部转变为Cr7C3，同时测得Cr23C6的衍射峰；还原焰涂层由均匀分布的黑色Cr3C2硬质颗粒和少量的Cr7C3颗粒以及其周围间隙填充的粘结(Cr,Ni)γ相组成。表面形貌显示，还原焰涂层表面存在扁平化不佳聚集区，且随氧燃比的增加，扁平化不佳聚集区有变小变少的趋势，当氧燃比为2.4时扁平化不佳区域最多且较大，此时涂层性能也相对最差，但氧燃比由2.9增加到3.4时，其涂层表面形貌区别不大。 涂层截面SEM结果表明，还原焰涂层截面呈典型层状组织，无明显缺陷，与表面组织相似，粘结相与硬质相交错无序相互叠加铺展。从截面也能观察到扁平化不佳聚集区，当氧燃比为3.4时涂层的这种不佳区最少，涂层的结合性能最佳。通过截面SEM观察，涂层与基体间的结合方式以机械结合形式为主。 摩擦性能测试表明，三组还原焰涂层的磨损量均小于基体GH864的磨损量，而且涂层的磨损量随着氧燃比的增大而减少，但涂层的摩擦系数随着氧燃比的增大，呈先降低后升高的趋势。综合来看，基体的磨损程度最严重，当氧燃比为2.9时，涂层的综合高温摩擦性能最佳。 摩擦磨损形貌显示，三组还原焰涂层的摩擦磨损形式主要为疲劳磨损和磨粒磨损，伴随少量的粘着磨损。而基体的磨损形式主要是磨粒磨损和粘着磨损，其磨损机制为剥层磨损机制，磨损程度较为严重，与涂层的磨损结果对比表明Cr3C2-NiCr涂层能有效保护基体，提高其高温耐磨性能。 三组还原焰涂层的等温氧化结果表明，试验前后涂层表面颜色基本无变化，当氧燃比为2.4时涂层中TGO层逐渐变厚的趋势最明显，此氧燃比下的涂层耐高温氧化性能最差，另外两组涂层的氧化结果相似。 综合性能测试结果与分析认为，Cr3C2-NiCr涂层可显著改善叶片基体的硬度和高温摩擦性能，当氧燃比为2.9时，可获得综合力学性能最佳的金属陶瓷复合涂层。通过制备涂层对基体加以防护，可有效提高烟气轮机叶片在苛刻工况下的使用时间，节省维修成本和停车损失，具有较好的经济实用价值。

目录

声明

第1章 绪论

1.1选题背景及意义

1.2热喷涂技术

1.2.1热喷涂技术的发展

1.2.2 爆炸喷涂技术

1.2.3爆炸喷涂原理

1.2.4爆炸喷涂的特点

1.3 热喷涂材料

1.3.1 Cr3C2-NiCr材料

1.3.2 Cr3C2-NiCr粉末的制备

1.4 镍基合金在烟气轮机叶片的应用

1.4.1镍基合金

1.4.2 镍基高温合金

1.4.3烟气轮机叶片用镍基高温合金

1.5 Cr3C2-NiCr金属陶瓷涂层的研究

1.5.1研究目标

1.5.2研究内容

第2章 试验方法

2.1试验技术路线

2.2试验材料

2.2.1基体材料

2.2.2喷涂粉末材料

2.3 试验设备及工艺

2.3.1试验设备

2.3.2爆炸喷涂工艺

2.4 试样及性能测试

2.4.1试样制备

2.4.2涂层组织形貌及物相分析

2.4.3涂层热震性能测定

2.4.4涂层硬度和开裂韧性测试

2.4.5涂层孔隙率测定

2.4.6涂层高温摩擦性能测试

2.4.7涂层氧化性能测试

第3章 Cr3C2-NiCr涂层性能与微观组织分析

3.1涂层的性能

3.1.1氧化焰和中性焰涂层性能结果及分析

3.1.2涂层热震性能结果及分析

3.1.3涂层硬度和开裂韧性结果分析

3.1.4涂层孔隙率测定分析

3.2 还原焰涂层的微观组织

3.2.1涂层表面形貌和物相分析

3.2.2涂层截面形貌分析

3.3本章小结

第4章 Cr3C2-NiCr涂层的高温摩擦性能分析

4.1 基体和涂层磨损量分析

4.1.1基体和涂层磨损量结果分析

4.1.2氧燃比对涂层磨损量影响

4.2 基体和涂层摩擦系数分析

4.3 基体和涂层磨痕能谱分析

4.4 基体和涂层摩擦形貌分析

4.5本章小结

第5章 Cr3C2-NiCr涂层的等温氧化分析

5.1 涂层等温氧化物相分析

5.2 涂层等温氧化截面形貌分析

5.3 本章小结

结论与展望

结论

工作展望

参考文献

致谢

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