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TiAl合金表面等离子喷涂MCrAlY及陶瓷涂层的激光重熔研究

王东生  
【摘要】: TiAl基金属间化合物合金(以下简称TiAl合金)由于其密度低,比强度和比刚度高,是航空、航天工业理想的新型高温结构材料。室温塑性差的问题已通过添加合金元素和显微组织调控等手段基本得到解决,进一步提高其高温抗氧化和耐磨性能已成为需要重点研究的问题。表面涂层技术能有机地将基材和表面涂层的特点结合起来,发挥两类材料的综合优势,同时满足对结构性能(强度、韧性等)和环境性能(耐磨、耐蚀、耐高温等)的需要,获得相当理想的复合材料结构。而纳米材料具有超细的晶粒尺寸和极高的表面积,展示出许多独特的物理、化学和机械性能,为TiAl合金表面涂层性能的提高提供了有利的条件。本文分别采用等离子喷涂和等离子喷涂-激光重熔复合工艺在TiAl合金表面制备了MCrAlY(M=Ni, Co, Fe)涂层、常规和纳米结构Al_2O_3-13%TiO_2(质量分数)陶瓷涂层、常规和纳米结构ZrO2-7%Y_2O_3(质量分数)热障涂层,较为系统地研究了所制备涂层的显微组织、相结构和性能特征,所完成的主要工作如下: (1)根据激光重熔的特点,采用ANSYS有限元软件中的间接热力耦合方法,系统建立了单道扫描以及多道搭接扫描激光重熔等离子喷涂MCrAlY涂层连续移动三维温度场和应力场有限元模型,分析了激光重熔工艺参数对温度场和应力场的影响。 (2)比较了等离子喷涂和激光重熔MCrAlY涂层相组成和微观结构,并进行了850℃下高温氧化和热腐蚀试验,考察了激光重熔处理对MCrAlY涂层抗高温氧化和热腐蚀性能的影响。 (3)对等离子喷涂和激光重熔复合工艺制备的常规和纳米结构Al_2O_3-13%TiO_2复合陶瓷涂层的微观组织结构进行了详细分析。结果表明:由于激光快速加热和快速冷却的加工特点,在激光重熔纳米结构涂层重熔区仍保留了部分纳米粒子。实验验证了激光重熔等离子喷涂复合工艺制备纳米结构涂层的可行性。 (4)建立了激光重熔等离子喷涂Al_2O_3-13%TiO_2陶瓷涂层温度场有限元模型,研究了重熔过程中陶瓷涂层沿厚度方向的温度变化特性,并分析了其与涂层组织结构的关系。 (5)在已有的等离子喷涂纳米结构陶瓷涂层两相组织结构理论基础上,对等离子喷涂纳米结构Al_2O_3-13%TiO_2陶瓷涂层进行了组织细化并讨论了不同组织的形成机理。 (6)研究了不同粉末、不同制备工艺对Al_2O_3-13%TiO_2复合陶瓷涂层显微硬度、耐磨性能和抗冲蚀性能的影响并分析了陶瓷涂层磨损和冲蚀机理。 (7)根据等离子喷涂的传热特点,利用ANSYS有限元软件,建立了等离子喷涂纳米团聚体ZrO2-7%Y_2O_3粉末熔化过程模型,分析了喷涂工艺参数对粉末熔化状态的影响,为优化工艺参数提供了理论依据。 (8)研究了激光重熔等离子喷涂常规和纳米结构ZrO2-7%Y_2O_3热障涂层相组成和显微结构,评价了涂层的高温氧化性能并分析其氧化机理,考察了涂层的热震行为并分析其热震失效模式。


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