等离子喷涂ZrO复合涂层抗热震性能的研究

摘要

Y2O3稳定的ZrO2(YSZ)涂层具有高温隔热性能好、高温下相稳定、耐冲刷等特点,并已在燃气轮机热端部件、涡轮叶片等高温工况部件中获得广泛应用。目前,已有很多研究者对ZrO2系列涂层在大气环境下的抗热震性能等方面进行了深入的研究。但能否将这种耐高温的热障涂层应用在铸造模具表面,承受着短时接触高温铁水环境的研究很少。因此,通过试验探讨短时接触高温铁水液环境下ZrO2系列涂层的热震性能具有重要意义。
　　 本文利用等离子喷涂技术,分别在Q235钢基体上和304不锈钢基体上喷涂不同厚度的NiCoCrAlY2O3金属粘结底层和ZrO2陶瓷层,然后通过热震实验研究不同基体和不同粘结层厚度对涂层寿命的影响。利用扫描电镜观察YSZ涂层热震前后显微组织的变化,研究涂层在热震过程中的失效过程;利用X-ray衍射分析喷涂态涂层和热震后涂层的物相组成;利用EDX分析涂层浸蘸铁水热震试验后元素的扩散情况。同时,利用金属-陶瓷梯度涂层可以缓和涂层热震时产生的热应力,提高涂层的结合强度、抗热震性性能的基本原理,采用等离子喷涂法在碳钢Q235基体上制备了NiCoCrAlY2O3-ZrO2梯度涂层,并对涂层的结合强度、孔隙率、显微硬度等性能进行了测定。通过与双层涂层的对比,研究梯度涂层对涂层热震寿命的影响。
　　 试验结果表明:在1250℃炉口加热然后空气喷吹冷却的热震条件下,以热膨胀系数相对较低的碳钢为基体的涂层寿命大于以不锈钢为基体的涂层。当粘结层厚度小于90μm时,涂层热震寿命与粘结层厚度呈显著的正比关系;当粘结层厚度大于90μm小于130μm时,涂层热震寿命随着粘结层厚度增长变化不再明显;当粘结层厚度大于130μm时,涂层热震寿命几乎不再随粘结层厚度的增加发生变化。
　　 喷涂态ZrO2陶瓷层中均匀分布着一些孔隙和裂纹。陶瓷层中物相为ZrO2的四方相t-ZrO2和立方相c-ZrO2。随着涂层在炉中热震次数的增加,发生了部分ZrO2的四方相(t)和立方相(c)向单斜相m-ZrO2的转变,陶瓷涂层的显微裂纹不断通过孔隙或原有裂纹联通的方式扩展。
　　 通过浸蘸铁水热震试验,发现涂层内有大量裂纹产生。而且随着热震次数的增加,在陶瓷层局部区域,各种方向的裂纹交织在一起。试验还发现在浸蘸铁水热震试验后,铁水中元素与陶瓷中元素产生了相互扩散,扩散深度大于60μm。铸铁熔渣中的Ca与陶瓷中的Zr、O等元素形成了新相。
　　 NiCoCrAlY2O3-ZrO2梯度涂层和普通双层涂层相比结合强度和抗热震性能都有所提高,其中抗热震性能提高了大约20％。过渡层的应用缓和了涂层中的界面成分的突变,降低了涂层在热震过程中界面处产生的热应力集中,延缓了界面处贯穿裂纹的产生。因此,梯度涂层具有更好的抗热震性能。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 本课题的研究意义

1.2 国内外耐高温涂层的研究现状

1.2.1 耐高温涂层的发展

1.2.2 ZrO2耐高温涂层材料研究现状

1.3 等离子喷涂制备陶瓷涂层研究进展

1.3.1 等离子喷涂原理及技术特点

1.3.2 等离子喷涂设备

1.3.3 等离子喷涂的基本工艺流程

1.4 金属/陶瓷梯度涂层

1.4.1 功能梯度材料概述

1.4.2 ZrO2/NiCoCrAlY2O3的结构设计

1.5 ZrO2热障涂层的失效因素

1.6 本文研究内容及意义

第2章 试验材料、设备及研究方法

2.1 试验材料

2.1.1 基体材料

2.1.2 喷涂材料

2.2 试验设备

2.2.1 等离子喷涂设备

2.2.2 热震试验加热装置

2.2.3 形貌及物相分析设备

2.3 试验方案

2.4 涂层的制备

2.4.1 涂层制备方法

2.4.2 金相试样制备

2.5 涂层物相及微观组织分析方法

2.5.1 电镜和能普分析

2.5.2 X射线衍射相结构分析

2.6 涂层性能测试

2.6.1 涂层孔隙率的测定

2.6.2 涂层显微硬度测试

2.6.3 涂层结合强度的测定

2.6.4 涂层的抗热震性能测试

2.6.5 浸蘸铁水实验

第3章 涂层抗热震性能的研究

3.1 基体和粘结层厚度对涂层热震性能的影响

3.2 多次热震后ZrO2陶瓷组织变化分析

3.3 多次热震后ZrO2陶瓷物相变化分析

3.4 浸蘸铁水测试涂层失效分析

3.5 本章小结

第4章 梯度涂层性能的研究

4.1 梯度涂层结合强度

4.2 梯度涂层孔隙率

4.3 梯度涂层显微硬度

4.4 梯度涂层抗热震性能

4.5 梯度涂层浸蘸铁水热震性能

4.6 本章小结

结论

对今后工作的建议

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢