tial基合金等离子喷涂制备抗高温氧化涂层(附件)【字数：12930】
摘 要摘 要钛铝基合金在高温工作条件下，材料的抗氧化性能不足。当使用温度高于850℃时，合金的抗氧化性能迅速降低。本文利用大气等离子喷涂工艺(APS)，在钛铝基合金Ti-48Al-2Cr-2Nb表面制备抗高温氧化涂层，涂层结构为NiCoCrAl/ZrO2复合涂层。以涂层结合强度为指标，开展正交实验优化喷涂工艺参数，并采用全自动显微硬度计测定涂层硬度。试验结果表明，当打底层工艺参数为喷涂距离110mm、喷涂电流750A、喷涂电压45V、主气流量60psi、送粉量0.85r/min，陶瓷层工艺参数为喷涂距离110mm、喷涂电流850A、喷涂电压50V，主气流量60psi、送粉量1.2/min、喷涂4次时，NiCoCrAl/ZrO2复合涂层得到优化，结合强度达55.80MPa。本文采用抗热震试验和电化学试验，对比不同材料及工艺的涂层抗热震性能和耐蚀性差异。陶瓷涂层抗热震性较好，20℃~800℃热震试验中，裂纹起源于母材靠近涂层处。基体材料耐蚀性能远高于涂层材料，而打底层与陶瓷涂层耐蚀性则相近。改变涂层喷涂次数(即涂层厚度)对涂层的耐蚀性影响较小，而涂层喷后利用等离子焰空扫则会显著提高涂层的耐蚀性。关键词钛铝基合金；APS；陶瓷涂层；抗高温氧化
目 录
第一章 绪论 1
1.1 选题背景和意义 1
1.2 等离子喷涂技术的发展 1
1.3 等离子喷涂原理及特点 3
1.4 钛铝基合金的特点及应用 4
1.4.1 钛铝基合金的优点 4
1.4.2 钛铝基合金的不足 4
1.5 钛铝基合金的高温氧化防护 4
1.5.1 合金化 4
1.5.2 涂层防护 5
1.5.3 其他防护方法 6
1.6 ZrO2的物理化学性能 7
1.7 本课题主要研究内容 8
第二章 试验材料、设备及方法 10
2.1 试验材料 10
2.1.1 基体材料 10
2.1.2 涂层材料 10
2.2 试验设备和仪器 11
2.2.1 喷涂设备 11
2.2.2 其他试验设备及仪器 12
2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
.3 试验方案 12
2.3.1 喷涂工艺流程 12
2.3.2 涂层结构设计 13
2.3.3 试验前期制备 13
2.4 试验测试及分析方法 14
2.4.1 涂层微观形貌及化学成分分析 14
2.4.2 涂层X射线衍射分析 14
2.4.3 涂层结合强度测试 15
2.4.4 涂层抗热震性能测试 15
2.4.5 涂层硬度测量 15
2.4.6 电化学极化分析 15
第三章 喷涂工艺参数的优化选择 16
3.1 金属打底层的优化选择 16
3.1.1 金属打底层的制备 16
3.1.2 金属打底层结合效果对比 16
3.2 陶瓷涂层的正交优化 17
3.2.1 涂层试验参数设计 17
3.2.2 结合强度试验结果 18
3.2.3 结合强度因素分析 19
3.3 优化结果试验验证 20
3.3.1 拉伸断面分析 20
3.3.2 优化工艺方案及验证试验 21
3.4 本章小结 21
第四章 涂层性能检测 23
4.1 涂层显微硬度分析 23
4.2 抗热震性试验 24
4.2.1 热震试验方法 24
4.2.2 热震试验结果分析 25
4.3 电化学分析 26
4.3.1 试样的制备 26
4.3.2 电化学试验结果 27
4.4 本章小结 28
结 论 30
致谢 31
参考文献 32
第一章 绪论
1.1 选题背景和意义
随着现代科学的发展与工业生产的进步，尤其是航空航天方面的飞速进展，材料性能的局限性也越发明显。如飞行器发动机机的受高温部件喷嘴，长期置于恶劣的服役环境中。喷嘴承受的温度一般达到1100℃，已经超过目前高温合金材料的使用极限温度[1]。因此，制备耐高温氧化的新材料已成为材料研究亟需解决的问题。
TiAl基合金与传统钛合金及高温合金相比具有其独特的综合性能，即低密度(其密度只有镍基高温合金的1/2)、高强度(其高温力学性能与镍基合金相近)、高熔点和优良的抗蠕变性能[2]。
TiAl基合金广泛应用于汽车或航空发动机的高温部件如压气机叶片、排气阀和增压涡轮等[3]，特别是在航空高温结构材料方面，是代替镍基高温合金的理想材料，是很有应用前景的轻型高温材料之一[4]。在金属表面制备特定的涂层，可以显著的提高材料整体的耐热性能。制备抗高温氧化涂层的工艺方式较多，但目前应用较广的方式有等离子喷涂法和电子物理沉积等方法[5]。
1.2 等离子喷涂技术的发展
为了使宇宙飞船进入大气层，对科学家提出了更高的的技术要求。1955年，国外首次成功研制并使用等离子发生机，这一举措成为等离子体在实际工业生产中应用的标志。1979年，真空等离子喷涂(VPS)这一概念最早在第九届国际热喷涂大会中被提出。截止1990年，在全世界大约拥有150套VPS设备[6]。近年来，逐渐发展出现了一些新型的等离子喷涂技术。如超音速等离子喷涂、爆炸喷涂等，这些工艺逐步发展变得成熟。超音速等离子喷涂利用高电压低电流工作模式，使喷涂装置产生超音速等离子射流。相比其他等离子喷涂工艺，超音速等离子喷涂具有很大的优势，射流更加集中，焰流较长，熔融的喷涂粉末速度高，涂层结合强度大，孔隙率低，适用于喷涂常见的高熔点陶瓷材料。
在70年代，中国首次引进美国Meteo公司的等离子喷涂设备，开始了国内等离子喷涂工艺的研究与应用的进程。清华大学与其他单位合作研发的QZNI型大功率等离子内孔喷涂枪，性能达到国际水平。这一装置工作方式是高电压内送粉。我国首台VPS设备由广州有色金属研究院研制，机械手则采用Meteo公司的AR1000；北京航空工艺研究所引进了瑞士PT公司的VPS设备主机，配套设备则是自主研发和完善；1988年，中国机械工程学会表面研究所引进了美国的超音速等离子喷涂设备主机，配套系统则是自主设计[1]。
对于等离子喷涂设备研究，一般从以下几个方面进行：
(1)完善喷涂设备的功能
计算机、传感器和机器人等先进科学技术的发展，带动了等离子喷涂设备功能的的改进与提高。美国Meteo公司于上世纪80年代初，首次将计算机控制系统与等离子喷涂设备相结合。随后，其他国家也展开喷涂设备自动化研发的竞争，喷涂工艺过程慢慢开始具有自动控制、保护和远程遥控操作等人性化功能。瑞士PT公司研发的相关设备，可以保证喷涂期间设备的自动运行；美国MTI公司所研发的等离子喷涂设备，融合了先进的传感技术，可以直接监控等离子焰流温度分布和粉末的熔化状态。
(2)降低喷涂运行的成本
气稳等离子喷涂过程中，需要消耗大量的高纯氢气、氮气和氦气等气体，成本花费较大。水稳等离子喷涂使用水作为工作介质，能够大幅提高陶瓷粉末的沉积效率，比气稳等离子喷涂沉积效率高10倍以上。成本花费则不到气稳等离子喷涂的十分之一，等离子弧温度最高达到30000℃，适用于陶瓷涂层在工业中高效喷涂。采用空气作为喷涂气体也能极大的降低成本，大约为气稳的一半。但这些工艺设备稳弧比较困难，前期设备投资大。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 选题背景和意义 1
1.2 等离子喷涂技术的发展 1
1.3 等离子喷涂原理及特点 3
1.4 钛铝基合金的特点及应用 4
1.4.1 钛铝基合金的优点 4
1.4.2 钛铝基合金的不足 4
1.5 钛铝基合金的高温氧化防护 4
1.5.1 合金化 4
1.5.2 涂层防护 5
1.5.3 其他防护方法 6
1.6 ZrO2的物理化学性能 7
1.7 本课题主要研究内容 8
第二章 试验材料、设备及方法 10
2.1 试验材料 10
2.1.1 基体材料 10
2.1.2 涂层材料 10
2.2 试验设备和仪器 11
2.2.1 喷涂设备 11
2.2.2 其他试验设备及仪器 12
2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
.3 试验方案 12
2.3.1 喷涂工艺流程 12
2.3.2 涂层结构设计 13
2.3.3 试验前期制备 13
2.4 试验测试及分析方法 14
2.4.1 涂层微观形貌及化学成分分析 14
2.4.2 涂层X射线衍射分析 14
2.4.3 涂层结合强度测试 15
2.4.4 涂层抗热震性能测试 15
2.4.5 涂层硬度测量 15
2.4.6 电化学极化分析 15
第三章 喷涂工艺参数的优化选择 16
3.1 金属打底层的优化选择 16
3.1.1 金属打底层的制备 16
3.1.2 金属打底层结合效果对比 16
3.2 陶瓷涂层的正交优化 17
3.2.1 涂层试验参数设计 17
3.2.2 结合强度试验结果 18
3.2.3 结合强度因素分析 19
3.3 优化结果试验验证 20
3.3.1 拉伸断面分析 20
3.3.2 优化工艺方案及验证试验 21
3.4 本章小结 21
第四章 涂层性能检测 23
4.1 涂层显微硬度分析 23
4.2 抗热震性试验 24
4.2.1 热震试验方法 24
4.2.2 热震试验结果分析 25
4.3 电化学分析 26
4.3.1 试样的制备 26
4.3.2 电化学试验结果 27
4.4 本章小结 28
结 论 30
致谢 31
参考文献 32
第一章 绪论
1.1 选题背景和意义
随着现代科学的发展与工业生产的进步，尤其是航空航天方面的飞速进展，材料性能的局限性也越发明显。如飞行器发动机机的受高温部件喷嘴，长期置于恶劣的服役环境中。喷嘴承受的温度一般达到1100℃，已经超过目前高温合金材料的使用极限温度[1]。因此，制备耐高温氧化的新材料已成为材料研究亟需解决的问题。
TiAl基合金与传统钛合金及高温合金相比具有其独特的综合性能，即低密度(其密度只有镍基高温合金的1/2)、高强度(其高温力学性能与镍基合金相近)、高熔点和优良的抗蠕变性能[2]。
TiAl基合金广泛应用于汽车或航空发动机的高温部件如压气机叶片、排气阀和增压涡轮等[3]，特别是在航空高温结构材料方面，是代替镍基高温合金的理想材料，是很有应用前景的轻型高温材料之一[4]。在金属表面制备特定的涂层，可以显著的提高材料整体的耐热性能。制备抗高温氧化涂层的工艺方式较多，但目前应用较广的方式有等离子喷涂法和电子物理沉积等方法[5]。
1.2 等离子喷涂技术的发展
为了使宇宙飞船进入大气层，对科学家提出了更高的的技术要求。1955年，国外首次成功研制并使用等离子发生机，这一举措成为等离子体在实际工业生产中应用的标志。1979年，真空等离子喷涂(VPS)这一概念最早在第九届国际热喷涂大会中被提出。截止1990年，在全世界大约拥有150套VPS设备[6]。近年来，逐渐发展出现了一些新型的等离子喷涂技术。如超音速等离子喷涂、爆炸喷涂等，这些工艺逐步发展变得成熟。超音速等离子喷涂利用高电压低电流工作模式，使喷涂装置产生超音速等离子射流。相比其他等离子喷涂工艺，超音速等离子喷涂具有很大的优势，射流更加集中，焰流较长，熔融的喷涂粉末速度高，涂层结合强度大，孔隙率低，适用于喷涂常见的高熔点陶瓷材料。
在70年代，中国首次引进美国Meteo公司的等离子喷涂设备，开始了国内等离子喷涂工艺的研究与应用的进程。清华大学与其他单位合作研发的QZNI型大功率等离子内孔喷涂枪，性能达到国际水平。这一装置工作方式是高电压内送粉。我国首台VPS设备由广州有色金属研究院研制，机械手则采用Meteo公司的AR1000；北京航空工艺研究所引进了瑞士PT公司的VPS设备主机，配套设备则是自主研发和完善；1988年，中国机械工程学会表面研究所引进了美国的超音速等离子喷涂设备主机，配套系统则是自主设计[1]。
对于等离子喷涂设备研究，一般从以下几个方面进行：
(1)完善喷涂设备的功能
计算机、传感器和机器人等先进科学技术的发展，带动了等离子喷涂设备功能的的改进与提高。美国Meteo公司于上世纪80年代初，首次将计算机控制系统与等离子喷涂设备相结合。随后，其他国家也展开喷涂设备自动化研发的竞争，喷涂工艺过程慢慢开始具有自动控制、保护和远程遥控操作等人性化功能。瑞士PT公司研发的相关设备，可以保证喷涂期间设备的自动运行；美国MTI公司所研发的等离子喷涂设备，融合了先进的传感技术，可以直接监控等离子焰流温度分布和粉末的熔化状态。
(2)降低喷涂运行的成本
气稳等离子喷涂过程中，需要消耗大量的高纯氢气、氮气和氦气等气体，成本花费较大。水稳等离子喷涂使用水作为工作介质，能够大幅提高陶瓷粉末的沉积效率，比气稳等离子喷涂沉积效率高10倍以上。成本花费则不到气稳等离子喷涂的十分之一，等离子弧温度最高达到30000℃，适用于陶瓷涂层在工业中高效喷涂。采用空气作为喷涂气体也能极大的降低成本，大约为气稳的一半。但这些工艺设备稳弧比较困难，前期设备投资大。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/hxycl/jscl/202.html
