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等离子喷涂耐磨涂层技术在大型薄壁零件上的应用研究

王灿明  
【摘要】:陶瓷涂布刮刀是造纸工业中的关键零部件,也是易损耗件,需求量大,技术含量高。目前我国全部依赖进口,价格昂贵。本文针对陶瓷涂布刮刀制备技术中的两大难题:即大型薄壁零件上的耐磨陶瓷涂层制备工艺和刮刀涂层精密磨削工艺开展研究,初步取得的主要研究成果如下: 首次在国内制备出纳米复合涂层陶瓷涂布刮刀。针对长薄壁零部件易变形难控制的难点,结合大型薄壁零件的结构特点及喷涂要求对工艺进行优化设计:采用二因子试验及方差分析方法研究了喷砂距离、空气压力及两者的交互作用对涂布刮刀喷砂质量的影响,优化了薄壁零件喷砂工艺规范;采用正交试验方法研究了喷涂电流、喷涂电压、喷涂距离和送粉速率这四个关键参数对陶瓷涂层的孔隙率及刮刀平面度的影响规律,优化了大型薄壁零件上耐磨陶瓷涂层的等离子喷涂工艺;设计出刮刀钢带喷涂特种专用夹具,解决了薄壁零件喷涂过程中温升过快,容易变形的技术难题。 首次设计制造出刮刀涂层磨削专用工装夹具及磨削工艺方法,该工装夹具根据陶瓷涂布刮刀超长超薄难于精密加工的特点,利用小型精密磨床即可实现各个面的磨削,获得所需的几何形状和尺寸精度,并可以实现任意长度刮刀涂层的连续磨削。并探讨了涂层在磨削过程中的材料去除机理及磨削工艺参数的变化对涂层表面光洁度的影响。上述刮刀涂层在自行设计的专用磨削装备上精密磨削后,刮刀的直线度、平行度和表面粗糙度等关键性能指标均达到了行业标准所规定的精度要求,满足了在工业生产中应用的基本要求。 成功实现了在大型长薄零部件上获得高性能纳米、微米陶瓷复合涂层的技术。选用优化后的等离子喷涂工艺制备纳米及微米AT13(Al2O3-13%TiO2)涂层试样,并采用SEM、EPMA、TEM、XRD等现代分析手段对比研究了涂层组织、结构及成分分布特征;采用试验方法测定了涂层中的残余应力及分布特征、力学性能及耐磨粒磨损性能。分析表明:①等离子喷涂纳米及微米AT13涂层的组织致密,均匀,孔隙率低,结合强度高,两种涂层均能够满足在涂布刮刀上的应用要求。②两种涂层的主要相均为α-Al2O3、Υ-Al2O3及TiO2。纳米AT13涂层中则保留了较多的TiO2相。而微米AT13涂层中元素扩散现象显著,含有较多的Al2TiO5相,在两种涂层的富Al2O3区域均发现了非晶与纳米晶共存的现象。纳米AT13涂层呈现出典型的双态结构和晶粒细化现象。③等离子喷涂纳米及微米AT13涂层均为残余压应力状态,纳米AT13涂层由于部分熔融区增多,孔隙率相对较大,同时,涂层中的纳米晶出现聚集长大现象,改善了涂层中的应力状态,其残余压应力值显著低于微米涂层。④两种涂层的耐磨粒磨损性能优异,微米AT13陶瓷涂层的主要磨损方式为涂层中的微颗粒在磨削应力的作用下沿晶界的剥落和由于涂层中微裂纹的扩展而造成的涂层表面材料的小片状剥落;纳米陶瓷涂层的主要失效方式为微颗粒在磨削应力的作用下的沿晶界剥落。由于纳米陶瓷涂层的晶粒细小,晶界体积大,磨损过程中裂纹扩展路径更长,需要更多的能量,所以,其耐磨性能优于微米陶瓷涂层。 该研究对于加快我国造纸装备行业关键零部件-陶瓷刮刀的国产化进程,打破国际垄断,实现自主知识产权都具有重要的理论和现实意义。


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