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《大连理工大学》 2012年
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超低压等离子喷涂中的等离子焰流检测及涂层制备

张楠楠  
【摘要】:在很长一段时间,电子束物理气相沉积技术(EB-PVD)与低压等离子喷涂技术(LPPS)被认为是彼此不相关的。使用EB-PVD技术可以制备用于发动机叶片保护的柱状晶结构氧化钇稳定氧化锆(YSZ)热障涂层,但其沉积速率较低且能量消耗巨大。而LPPS技术可以大幅提高涂层的沉积率,且消耗能量远低于EB-PVD,但所得到的涂层粗糙度较大,涂层一般由熔化的液滴形成。 有研究表明,在降低气压即真空度达到0.1kPa时,使用大功率三阴极等离子枪(180kW)蒸发YSZ粉末后,通过收集熔化蒸发的蒸气,在基体上会得到柱状晶结构的涂层。这种技术被称为超低压等离子喷涂。作为一种新的技术手段,可能在将来取代EB-PVD技术实现柱状晶结构的热障涂层的制备。 到目前为止,由于超低压等离子喷涂技术的复杂性,对等离子焰流特性及涂层形成机理的研究工作还处于初级阶段,很多工艺依赖于长期形成的经验。而通过研究操作参数对焰流特性的影响,对获得良好的涂层组织具有重要意义。为了提高超低压等离子喷涂技术的可靠性和可重复性,对等离子焰流的物理特性需要进一步的研究,如等离子体温度和等离子密度。 本课题首先利用检测等离子体发射光谱的方法,对操作参数的影响做了比较。发现气压改变对发射谱线的强度变化影响要大于电流强度与氢气流量的影响。通过H。和Hβ谱线计算了超音速等离子焰流不同位置的等离子体电子温度,研究了送粉前后和改变粉末颗粒大小后电子温度的变化情况。此外,使用Stark展宽方法由Hβ发射光谱计算得到等离子焰流的电子密度,以及等离子枪功率变化对其影响。 其次使用改造后的焓探针系统,对等离子焰流的宏观物理量如焓值、温度和热流量进行了一系列检测,研究了操作参数变化对其的影响。在等离子枪轴向距离40cm处得到最高的焓值和温度,而50cm和60cm两处焓值、温度较为接近,经研究发现这跟超音速焰流的结构变化有重要联系。 最后使用优化后的工作参数用F4-VB等离子枪制备了铜涂层和YSZ涂层,发现涂层中仍然有较大的粒子存在。采用轴向送粉方式后,使用F100等离子枪沉积的YSZ涂层质量得到明显改善。实验还通过等离子焰流加热铜块材的方法,得到了柱状晶生长结构的“薄”涂层,证实了蒸发量和热量是低压等离子喷涂获得柱状结构涂层不可或缺的条件。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TG174.44

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