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《大连海事大学》 2010年
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热喷涂Al-Cu-Cr准晶的粒子扁平化及涂层组织性能研究

傅迎庆  
【摘要】: 准晶合金是兼有长程准周期性平移序和非晶体学旋转对称性的新型材料,实际应用中采用气相沉积或热喷涂方法,在其它基材表面制备准晶薄膜或涂层,以克服其固有的高脆性,充分发挥其特殊的物理和力学性能。热喷涂准晶涂层因孔隙率高、结构缺陷多和结合强度低等缺点而使涂层性能受到不良影响,限制了它的应用。因此,深入研究热喷涂准晶涂层的形成机理具有重要现实意义。 分别使用超音速火焰和低功率大气等离子喷涂Al65Cu20Cr15准晶粉末,采用实验研究与理论分析相结合的方法,系统研究两种热喷涂方法下准晶粉末粒子的扁平化行为特征、涂层的相组成和组织性能变化规律,以实现对涂层组织性能的预测与质量控制,促进热喷涂准晶涂层的应用。 低功率大气等离子喷涂和超音速火焰喷涂Al65Cu20Cr15准晶粉末的粒子扁平化行为差异很大。粒子扁平化行为影响因素主要来自两方面:粒子自身特性和基体特性。在粒子特性方面,低功率等离子喷涂准晶粉末大多数(≥70%)粒子为飞行速度相对较低、完全熔化的液态熔滴,粒子温度和熔化程度愈高,粒子扁平率愈高;超音速火焰喷涂准晶粉末大多数(80%)粒子属于单层液相包裹固相核芯的液固两相粒子,粒子温度和熔化程度较低、飞行速度极高,粒子速度愈高,扁平化程度愈高。在基体特性方面,超音速火焰喷涂时火焰传递给基体的热量很大,其“高速”未完全熔化的液固两相粒子撞击基体时动能很大,故粒子扁平化行为对基体导热率等热物理性能反应迟钝,对基体硬度和弹性极限等力学性能很敏感;相反,低功率等离子喷涂“低速”熔滴粒子扁平化时,基体硬度和弹性极限等力学性能对扁平粒子形态影响不大,基体熔点、导热率和预热温度等热物理性能影响非常显著。超音速火焰喷涂时采用硬度较高的基体,低功率等离子喷涂时采用导热率较低的基体或较高的基体预热温度,均有利于改善扁平粒子形态,提高涂层质量。 低功率等离子喷涂时,适当提高等离子体热焓Hj有利于改善扁平粒子形态,但等离子体热焓Hj过度增加时低熔点合金组元Al蒸发和氧化损失增多,诱发具有不规则溅射状边缘的扁平粒子产生,同时引起涂层中二十面体准晶相Ⅰ含量减少。本研究最适宜的等离子体热焓Hj为2.48 kJ/L,对应平均粒子扁平率为4.10,雷诺数为17,000。提高基体预热温度或采用导热率较低的基体,都利于提高涂层中准晶相Ⅰ含量。304不锈钢上低功率等离子喷涂Al65Cu20Cr15准晶熔滴的扁平粒子形态由溅射状转变为圆饼状时,存在一个基体预热温度临界值,即转变温度Tt,约为573K,当基体预热温度高于Tt时,大多数(≥50%)扁平粒子呈规则的圆饼状。 实验结果表明:因为准晶材料具有较高脆性,超音速火焰喷涂准晶粒子熔化程度较低并具有极高的飞行速度,所以超音速火焰喷涂Al65Cu20Cr15准晶颗粒与沉积表面碰撞时未熔固相发生破碎;先前沉积涂层承受后续高速飞行粒子不断冲击也会产生变形,甚至碎裂,这两方面结果均有利于细化涂层组织和降低孔隙率。因此,即使超音速火焰喷涂粒径范围为61~74μm这样粗大(超音速火焰喷涂适宜的粉末粒径范围15~40μm)的Al65Cu20Cr15准晶粉末,仍可获得细小致密的涂层组织。 低功率等离子喷涂准晶涂层扁平粒子由完全熔化的喷涂粉粒熔滴形成,而超音速火焰喷涂涂层扁平粒子由大多数未完全熔化粉粒的熔化部分和极少数小尺寸完全熔化的粉粒熔滴形成,显然后者比前者的尺寸小;另外,低功率等离子喷涂准晶粉粒熔化程度比超音速火焰喷涂高,熔体中合金组元尤其是Al蒸发氧化损失较多,形成涂层中准晶相Ⅰ含量更少。因此,两者相比,超音速火焰喷涂准晶涂层中二十面体准晶相Ⅰ的含量更高,组织结构更细密;实验结果表明,超音速火焰喷涂准晶涂层显微硬度和拉伸结合强度更高,减摩耐磨性能也更优,但粉末沉积效率大大降低,仅为低功率等离子喷涂时的50~80%,生产成本更高。 以常温常压下更易气化的丙烯代替丙烷作燃气时,有利于改善超音速火焰喷涂准晶扁平粒子形态。丙烷作燃气时,当氧-丙烷比例在4.2~5.6时,适当增加超音速火焰焰流热焓,粒子熔化和扁平化程度提高,涂层孔隙率降低,硬度和结合强度升高,但形成涂层中晶体相α、θ和ε的含量增多,而准晶相Ⅰ含量减少。 实验表明,超音速火焰喷涂Al65Cu20Cr15准晶涂层比FeAl晶体涂层具有更优良的减摩耐磨性能和疏水性。
【学位授予单位】:大连海事大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TG174.44

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