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电机轴承用Al_2O_3基复合陶瓷绝缘涂层的制备及性能研究

李庆林  
【摘要】:绝缘轴承主要用于铁路、风电、矿山等领域的电机设备,尤其是在高频、高压电动机中,是解决这些设备因电蚀问题而产生故障的关键零部件。Al_2O_3基复合陶瓷绝缘涂层具有耐高温、抗腐蚀、机械强度高、绝缘性能优良等特点,是制备绝缘轴承的主要涂层,其性能的优劣对轴承乃至电机的工作稳定性、可靠性及寿命具有十分重要的影响。本文以Al_2O_3基陶瓷绝缘涂层为研究对象,开展喷涂原料寻优试验和工艺参数优化试验,探究喷涂原料及工艺参数对陶瓷绝缘涂层性能的影响规律。主要研究工作如下:采用等离子喷涂方法,以商购的两种高纯度Al_2O_3粉末(进口Al_2O_3粉、国产Al_2O_3粉)和两种不同比例的Al_2O_3-TiO2(简称AT)系粉末(AT3粉、AT13粉)为喷涂原料,采用设备推荐的等离子喷涂工艺参数,在GCr15钢基体试样表面制备陶瓷绝缘涂层,并开展涂层的绝缘性能、粘接性能和力学性能研究。通过喷涂原料初选试验和深入优化试验,以确定出Al_2O_3基陶瓷绝缘涂层的性能较优的喷涂原料方案。初选试验通过综合分析涂层的性能测试结果及经济成本因素,初选喷涂原料为国产Al_2O_3粉和AT3粉。深入优化试验通过设置不同喷涂电弧电流参数,分别测试不同特征喷涂参数(CPSP)条件下涂层的绝缘电阻、孔隙率、结合强度、显微硬度等性能指标,并借助扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)分别对涂层的微观形貌和相成分进行分析,最终确定出Al_2O_3基陶瓷绝缘涂层较优的喷涂原料。研究结果表明,不同CPSP条件下相比AT3涂层,Al_2O_3涂层的绝缘性能与粘结性能均较优,且价格低廉,更适于制备陶瓷绝缘涂层。采用优选喷涂原料,开展制备Al_2O_3基陶瓷绝缘涂层的工艺参数优化,以电弧电流、主气流量和送粉速率为研究因素,以涂层的体积电阻率、介电强度、孔隙率、结合强度和显微硬度这五项性能指标为优化目标,进行三因素四水平的正交试验。利用基于正交试验的灵敏度分析法和基于熵权法的客观综合评价法,对涂层的各项性能指标结果进行极差分析和灵敏度分析,研究不同工艺参数对涂层性能指标的影响规律。研究结果表明,影响Al_2O_3陶瓷绝缘涂层性能的因素主次关系为电弧电流、主气流量、送粉速率,其中最敏感因素为电弧电流,其最大灵敏度值可达47.91。综合考虑,得出该涂层的最佳工艺参数为电弧电流510A、主气流量60L/min、送粉速率35g/min。


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