双丝电弧喷涂Ni-Al涂层制备及性能研究

摘要

本文根据大型船舶偏流板服役特点，研究了双丝电弧喷涂（TWAS）Ni-Al涂层制备及性能问题，并对 TWAS过程进行了研究。利用VOF双相流模型和标准k-ε模型，分析了不同直径熔滴在不同雾化气体压力下的变形和破碎过程，以及Weber数对熔滴破碎过程的影响。同时对不同速度的熔滴撞击基体的变形和凝固温度场进行了详细分析，揭示了TWAS喷涂粒子速度的气体飞行动力学规律。基于不同类型的涂层制备方法和工艺、涂层结构和材料的耦合制备了多种结构涂层，明晰了不同的喷涂工艺参数与TWAS过程中喷涂粒子尺寸间的关系。在结合强度、摩擦系数及耐磨性初步分析基础上，对各种涂层结构进行了全面的性能分析，研究了显微硬度、结合强度、耐冲击、耐高温和耐腐蚀等特性与涂层结构的关系。对所获最优 Ni-Al复合涂层的显微结构、表面粗糙度和耐磨性能进行了系统研究。分析了不同热处理工艺对 Ni-Al涂层显微组织和相结构的影响，讨论了涂层与铝合金基体界面反应机理，以及基体和涂层之间的界面元素扩散行为。获得以下结果：
　　采用双丝电弧喷涂和火焰喷涂在6061-T6铝合金基体上制备Ni-5wt.％Al、Ni-20wt.%Al、Ni-30wt.%Al单层结构、Ni-5wt.%Al//Ni-5wt.%Al、Ni-5wt.%Al//Ni-20wt.%Al、Ni-5wt.%Al（Arc）//Al包Al2O3（Arc）、Ni-5wt.%Al（Arc）//Al包Al2O3（Flame）双层结构、Ni-5wt.%Al//Zn//Ni-5wt.%Al、Ni-5wt.%Al//Zn//Ni-20wt.%Al三明治结构等九种不同结构涂层，根据结合强度、耐高温、耐冲蚀性、抗热冲击、抗加速腐蚀、化学溶液耐受性和盐雾腐蚀等性能进行对比分析，确定了金属基涂层的成分和结构，即以Ni-5wt.%Al为打底层和Ni-20wt.%Al作为面层的复合涂层结构。
　　双丝电弧喷涂熔滴破碎形式为一次破碎和二次破碎形式及爆炸式破碎形式。Weber数与雾化气体压力呈近似线性关系。在一定范围内变化时，增大喷涂雾化空气压力可以提高熔滴飞行速度，改善熔滴雾化效果。熔滴的形态、凝固层变化和温度场变化一致，并获得了熔滴冷却速度范围为3.1×107~7.6×107K/s。TWAS喷涂粒子速度的气体飞行动力学计算和分析结果表明，TWAS喷涂粒子在雾化气体中的初始加速较快，然后趋于平缓和稳定。当喷涂粒子加速飞行距离为200mm，且粒子的粒度范围为5μm~50μm时，喷涂粒子的飞行速度仅能达到初始气流速度的15%~45%。
　　Ni-5wt.%Al涂层中的主相为Ni固溶体，还包括少量Al2O3、NiO和Ni3Al4；Ni-20wt.%Al涂层中的主要组成相为Ni固溶体、NiAl和Ni3Al。TEM分析表明：在原始态Ni基体上形成细小的球形Ni3Al析出相，同时存在非晶相和等轴晶，均系喷涂粒子在极快的冷却过程中形成。经过电子探针能谱分析，涂层主要由Ni、Al和O等元素构成。Ni-Al涂层具有较高的结合强度、硬度、粗糙度和较大的静摩擦系数。Ni-20wt.%Al涂层表现出较好的耐磨性，200个循环磨损后，湿态静摩擦系数大于干态静摩擦系数，涂层在整个磨损过程中始终表现为粘着磨损。激光共聚焦显微镜分析结果表明：随着喷涂距离和喷涂空气压力减小，Ni-Al涂层的表面粗糙度增大，但随着喷涂距离的减小，喷涂空气压力影响减弱。
　　Ni-Al涂层经400℃~550℃/4h~48h热处理后，相组成变化较小。根据Miedema理论模型，涂层/基体界面发生扩散，形成金属间化合物 NiAl3，随着热处理温度升高和时间的延长，在NiAl3相和涂层之间形成 Ni2Al3相，同时界面扩散区逐渐增厚，该过程由Al原子的扩散所控制。热处理后的TEM分析表明：涂层中存在NiAl3、Ni2Al3及Ni的退火孪晶相。根据在400℃、480℃和550℃温度不同时间的小角衍射结果，Ni-Al合金扩散动力学符合3次方规律，根据S.Arrhenius公式，建立高温原子扩散模型，计算出晶粒的长大指数 n值均在0.25~0.35之间，与理论推导关系 x2∝t1-n一致。在特定工艺条件下，较高的喷涂压力易于产生较小的喷涂粒子，适合作为 Ni-Al复合涂层的打底层，而相对较低的喷涂压力产生相对较大的喷涂粒子，更适合作为偏流板涂层的面层。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究目的和意义

1.2 甲板和偏流板材料及涂层研究进展

1.3 热喷涂技术及其对涂层性能的影响

1.4 本论文的主要研究内容

第2章 涂层材料结构设计及试验分析方法

2.1 试验材料及涂层结构设计

2.2 涂层试验分析方法

第3章 双丝电弧喷涂过程研究

3.1 引言

3.2 双丝电弧喷涂过程熔滴行为

3.3 TWAS Ni-Al粉末特征

3.4 TWAS熔滴速度分析

3.5 本章小结

第4章 涂层结构优化与性能研究

4.1 引言

4.2 涂层制备和工艺试验

4.3 涂层结构优化及对比分析

4.4 Ni-Al涂层显微结构

4.5 Ni-Al涂层表面粗糙度

4.6 Ni-Al涂层摩擦磨损性能

4.7 本章小结

第5章 NI-AL涂层热处理转变及扩散过程研究

5.1 引言

5.2 Ni-Al涂层热处理转变

5.3 热处理Ni-Al涂层的界面元素扩散行为

5.4 Ni-Al涂层界面原子扩散动力学分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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