特征喷涂参数对等离子喷涂氧化铝涂层的微观结构及性能影响

摘要

等离子喷涂技术是近年来高速发展的一种新型表面强化技术，可将金属或陶瓷加热至熔化或半熔化状态，并以较高的速度喷射到工件表面，从而形成高性能涂层，使基体获得特殊性能。等离子喷涂制备的Al2O3+13wt.％TiO2涂层，以其优良的隔热、绝缘以及耐磨减摩耐腐蚀性能，在宇航、机械、电力、轻工、纺织、石化等领域有着重要的用途。
　　 本论文在Q235钢板表面，采用APS2000型等离子喷涂设备(主气Ar，次气H2)，制备了过渡层为NiCrAl合金，陶瓷层分别为普通Al2O3+13wt.％TiO2涂层和纳米Al2O3+13wt.％TiO2涂层的功能梯度涂层系统。通过正交实验，优化了等离子喷涂纳米Al2O3+13wt.％TiO2后的喷涂工艺参数为：电压为60V、电流为600A、主气流量为35L/min。以优化参数计算的特征喷涂参数(CPSP，CPSP=1028A·V/L·min-1)为基础，设计出六组特征喷涂参数(672、733、825、900、1021、1114A·V/L·min-1)，分别制备了普通Al2O3+13wt.％TiO2涂层和纳米Al2O3+13wt.％TiO2涂层。利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)对涂层的微观形貌、物相结构进行了分析；对涂层的显微硬度、抗热震性能以及常温和高温磨损性能进行了测试，对两种陶瓷涂层微观结构和性能与CPSP参数的关系进行了分析，并对涂层热震、磨损失效的机制进行了初步探讨。
　　 结果表明，普通Al2O3+13wt.％TiO2涂层及纳米Al2O3+13wt.％TiO2涂层表面和截面结构均为微观双模结构，由部分熔化区、完全熔化区组成；涂层的表面和截面存在孔洞、裂纹等缺陷。普通涂层和纳米涂层的物相组成为α-Al2O3、γ-Al2O3和rutile-TiO2:对纳米涂层XRD结果经谢乐公式计算，证实涂层的晶粒度在纳米范围内。随着CPSP的增大，纳米涂层和普通涂层内部的部分熔化区比例减少，孔隙数量明显减少，裂纹的数量也有一定程度的降低；涂层内部α-Al2O3相的相对含量降低，亚稳γ-Al2O3相的相对含量增大；普通涂层和纳米涂层的孔隙率都是有所降低；其显微硬度有不同程度的提高。
　　 随着CPSP的增大，普通Al2O3+13wt.％TiO涂层和纳米Al2O3+13wt.％TiO涂层的热震循环次数均先增大后降低，纳米涂层的热震性能对CPSP的变化较普通涂层敏感。在居中CPSP参数条件下(纳米涂层为900A·V/L·min-1，普通涂层为825A·V/L·min-1)制备的涂层拥有较佳的抗热震性能。在最优CPSP参数下制备的纳米涂层，其抗热震性能优于普通涂层。热震循环的热应力和涂层热震时便随的相变诱发的相变应力场；氧元素渗入到涂层内部与NiCrAl反应生成热生成氧化物(TGO)层；涂层内部孔隙、裂纹等缺陷诱发裂纹生成，这些是造成涂层热震失效的重要原因。涂层中的球形的孔洞，部分熔化区和纳米涂层的纳米晶粒结构有助于提高涂层的抗热震性能。
　　 纳米涂层的耐磨性能优于普通涂层，且随CPSP的增大，纳米涂层的耐磨性能增强。随着磨损实验温度的升高，两种涂层的耐磨性能降低。涂层内部部分熔化区以及纳米涂层特有的纳米晶粒结构能提高涂层的耐磨性能。普通涂层和纳米涂层的磨损失效机制是涂层内部板条的分层剥落和涂层表面材料的塑性变形切削。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 等离子喷涂

1.1.1 等离子体的特征

1.1.2 等离子喷涂原理

1.1.3 等离子喷涂设备

1.1.4 等离子喷涂工艺

1.1.5 等离子喷涂的特点

1.1.6 等离子喷涂技术的发展趋势

1.2 纳米材料的力学性能

1.2.1 强度和硬度

1.2.2 塑性和韧性

1.2.3 超塑性

1.3 氧化铝复合陶瓷涂层

1.3.1 纯氧化铝陶瓷涂层

1.3.2 氧化铝-氧化钛复合粉末

1.4 等离子喷涂纳米AL2O3-13WT.%TiO2涂层国内外研究现状

1.5 本论文的研究意义及研究内容

1.5.1 研究意义

1.5.2 研究内容

第二章 实验材料、实验方法及设备

2.1 实验材料

2.1.1 基体材料

2.1.2 涂层材料

2.2 实验方法及设备

2.2.1 涂层制备设备

2.2.2 微观结构表征、性能测试及设备

第三章 等离子喷涂参数的设计及涂层制备

3.1 纳米AL2O3-13WT.%TIO2涂层制备工艺参数优化

3.1.1 过渡层制备工艺

3.1.2 纳米Al2O3-13wt.%TiO2涂层制备工艺参数正交优化

3.1.3 正交实验数据计算

3.2 特征喷涂参数(CPSP)设计

3.3 涂层制备

第四章 AL2O3-13WT.%TIO2涂层的微观结构与性能分析

4.1 AL2O3-13WT.%TIO2涂层的微观形貌及CPSP对其影响

4.1.1 普通Al2O3-13wt.%TiO2涂层的微观形貌及CPSP对其影响

4.1.2 纳米Al2O3-13wt.%TiO2涂层的微观形貌及CPSP对其影响

4.1.3 普通和纳米Al2O3-13wt.%TiO2涂层的微观形貌对比

4.1.4 Al2O3-13wt.%TiO2涂层的微观结构形成机理及CPSP对其影响

4.2 AL2O3-13WT.%TiO2涂层的物相结构分析及CPSP对其影响

4.2.1 不同CPSP下普通Al2O3-13wt.%TiO2涂层的物相组成

4.2.2 不同CPSP下纳米Al2O3-13wt.%TiO2涂层的物相组成

4.3 AL2O3-13WT.%TIO2涂层的孔隙率及CPSP对其影响

4.4 AL2O3-13WT.%TIO2涂层的显微硬度及CPSP对其影响

第五章 AL2O3-13WT.%TIO2涂层的抗热震性能分析

5.1 普通AL2O3-13WT.%TIO2涂层的抗热震性能及CPSP对其影响

5.1.1 普通Al2O3-13wt.%TiO2涂层抗热震性能及其与CPSP关系

5.1.2 普通Al2O3-13wt.%TiO2涂层热震失效后的微观形貌分析

5.1.3 普通Al2O3-13wt.%TiO2涂层热震失效后的物相分析

5.2 纳米AL2O3-13WT,%TIO2涂层的抗热震性能及CPSP对其影响

5.2.1 纳米Al2O3-13wt.%TiO2涂层抗热震性能及其与CPSP关系

5.2.2 纳米Al2O3-13wt.%TiO2涂层热震失效后的微观形貌分析

5.2.3 纳米Al2O3-13wt.%TiO2涂层热震失效后的物相分析

5.2.4 普通和纳米涂层抗热震性能对比

5.3 AL2O3-13WT.%TIO2涂层抗热震性能分析及CPSP对其影响

5.3.1 涂层热震失效机理

5.3.2 纳米涂层抗热震性能的提高

5.3.3 CPSP变化对涂层抗热震性能的影响

第六章 AL2O3-13WT.%TIO2涂层的耐磨性能分析

6.1 普通AL2O3-13WT,%TIO2涂层的耐磨性能

6.2 纳米AL2O3-13WT.%TiO2涂层的耐磨性能及CPSP的影响

6.2.1 纳米Al2O3-13wt.%TiO2涂层磨损失重及CPSP对其影响

6.2.2 纳米Al2O3-13wt.%TiO2涂层的室温磨损失效形貌分析

6.2.3 纳米Al2O3-13wt.%TiO2涂层的高温磨损失效形貌分析

6.2.4 磨屑形貌分析

6.2.5 普通和纳米涂层耐磨性能对比

6.3 AL2O3-13WT.%TIO2涂层的耐磨性能分析

6.3.1 涂层的磨损失效机理

6.3.2 纳米涂层耐磨性的提高

6.3.2 CPSP对涂层耐磨性的影响

结论

参考文献

攻读硕士学位期间学术论文及科研情况

致谢