等离子喷涂Al2O3陶瓷涂层的机理研究

摘要

等离子喷涂作为先进的材料表面技术,在国民经济各个领域中得到了广泛的应用。由于Al2O3具有的良好性能,加之来源广、价格低廉,所以成为等离子喷涂陶瓷涂层的主要材料之一。等离子喷涂技术已经取得了较大的发展,但是,等离子喷涂陶瓷涂层的研究仍停留在经验阶段,缺少系统的理论指导,等离子焰流与粉末的相互作用以及粉末在基体上的成膜机理等有待进一步研究。本文通过数值计算方法研究了粒子的加热加速规律;采用XRD、SEM、金相显微等对涂层性能进行检测,结合喷涂粒子的温度、速度,研究了粒子沉积过程及影响涂层质量的主要工艺参数,深入探讨了等离子喷涂Al2O3陶瓷涂层的机理。研究表明粒子速度、温度的计算结果与测量结果吻合较好,说明用流体动力学、气固两相流理论及对流传热模型来模拟等粒子喷涂过程中粒子的温度、速度是可行的。数值求解结果表明影响粒子加速的主要因素有:等离子气体种类及其工作压力,粒子的大小、形状系数。随着射流出口速度的增加,粒子速度明显增加。随着粒子尺寸的减小,粒子速度明显增大。球形粒子加速效果低于同体积的不规则粒子。影响粒子加热的主要因素为等离子气体种类,粒子的比热容、密度和大小对粒子加热影响较小。涂层性能的检测结果表明陶瓷粒子在涂层中以椭球形为主。粒子沉积过程中,金属粒子有明显的冲击夯实作用,陶瓷粒子的冲击夯实作用较小。影响涂层质量的主要工艺参数为:热源参数、送粉方式和送粉速率。相同送粉方式条件下,在适当范围内,等离子弧功率越大,涂层质量越好;等离子弧功率相同时,枪内送粉方式制备的涂层质量优于枪外;喷涂10～40μm的Al2O3粉末时,送粉速率应控制在10g/min左右,过大、过小都会使涂层质量下降。在相同送粉速率条件下,喷涂粉末球化率越高,涂层性能越好。除此之外,通过硝酸铝和硝酸铝与氨水所制Al（OH）3溶胶的高温热分解均可制备出团聚状的纳米α-Al2O3,通过Sherrer公式计算,其平均粒径分别为45.46nm和35.36nm。Al（OH）3溶胶热分解法和Al（NO3）3直接热分解法相比较:硝酸铝高温热分解制备纳米α-Al2O3具有成本低、产率大、工艺简单、技术要求低、制备过程重现性好等特点。

目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 研究目的与意义

1.2 研究背景综述

1.2.1 等离子喷涂技术及特点

1.2.2 等离子喷涂粒子的沉积过程

1.2.3 等离子喷涂的工艺

1.2.4 等离子喷涂的陶瓷材料

1.3 研究内容

2 等离子喷涂陶瓷粒子的飞行规律

2.1 计算模型与方法

2.1.1 计算模型的建立

2.1.2 仿真函数的推导

2.1.3 初始条件的确定

2.2 试验材料与方法

2.2.1 试验材料

2.2.2 等离子喷涂设备

2.2.3 粒子速度测量方法

2.3 等离子喷涂陶瓷粒子的加热加速规律

2.4 粒子速度与温度的试验验证

2.5 气体参数对粒子加速加热行为的影响

2.6 粒子参数对其加速加热行为的影响

2.7 本章小结

3 等离子喷涂陶瓷粒子的沉积规律

3.1 试验材料与方法

3.1.1 试验材料

3.1.2 试验方法

3.2 陶瓷粒子的冲击夯实作用

3.3 Al_2O_3 陶瓷涂层的微孔结构

3.4 粒子沉积过程中的变形

3.4.1 金属粒子在沉积过程中的变形

3.4.2 陶瓷粒子在沉积过程中的变形

3.5 本章小结

4 等离子喷涂陶瓷涂层的工艺研究

4.1 试验方案及技术路线

4.1.1 试验方案

4.1.2 试验技术路线

4.2 涂层的制备

4.2.1 试验设备及仪器

4.2.2 试验原料与试样

4.2.3 涂层的制备工艺

4.3 涂层的物理性能及检测

4.3.1 涂层的孔隙率

4.3.2 涂层的硬度

4.3.3 涂层的耐磨性

4.3.4 涂层的结合强度

4.4 试验结果

4.4.1 喷涂粒子速度及温度测试结果

4.4.2 送粉方式对涂层性能的影响

4.4.3 枪内送粉条件下，不同送粉速率制备涂层的性能

4.5 试验结果分析与讨论

4.6 粒子在喷涂过程中的变化

4.7 本章小结

5 热分解法制备超细Al_2O_3 粉末

5.1 实验

5.1.1 实验原料及仪器

5.1.2 实验原理

5.2 实验结果与分析

5.3 本实验所制备超细α-Al_2O_3 在热喷涂中的应用前景

5.4 本章小结

6 结论

致谢

参考文献

附录1 作者在硕士论文期间发表的论文