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纳米掺杂Al_2O_3+13wt%TiO_2等离子喷涂陶瓷涂层及应用研究

王戎  
【摘要】:本研究提出了在常规微米喷涂材料——Al_2O_3+13%TiO_2(以下简称AT13)中掺杂Al_2O_3+13%TiO_2纳米材料等离子喷涂的新方法,开创了等离子喷涂工艺的新领域。研究包括纳米材料的分散、等离子喷涂材料的制备、等离子喷涂工艺参数的确定,还考察了在常规等离子喷涂材料中掺杂不同比例的纳米材料对等离子喷涂涂层组织结构、力学及使用性能的影响,并进行了现场实验。 用SEM、XRD等方法检测的实验结果显示:通过超声波和强力搅拌协同作用,实现了纳米材料在水中以纳米态均匀分散;将均匀的纳米水溶胶与常规喷涂材料混合,经坯泥脱水、压制素坯、素坯烧结并破碎筛分,最后制成由纳米粒子均匀包覆微米粒子的、可进行等离子喷涂的微米级粉体:掺杂纳米材料的等离子喷涂工艺参数与常规的基本相同,喷涂效率有所提高;由于纳米粒子相对于微米粒子的低熔点、高表面能、多悬键、多晶界、多空位等特性,掺杂纳米材料后,涂层的元素分布由常规的局部偏聚变为均匀分布,等离子喷涂涂层中出现了阴离子缺位型不定比化合物,且随纳米材料掺杂量的增加而增加;当喷涂材料中掺杂纳米粒子15%,与常规喷涂材料相比,等离子喷涂涂层的开孔率、通孔率和残余应力降低,分别下降到原来的5.11%、67.31%、66.72%,密度、结合强度、显微硬度和热震循环数,分别上升了1.64%、19.14%、22.22%、42.86%,磨损实验中,涂层与GCrl5对磨坏的摩擦系数由0.73下降到0.65,腐蚀实验的涂层鼓泡时间由2小时提高到32小时,涂层的脱落时间由30小时提高到75小时;当掺杂纳米粒子达30%,涂层中出现了网状原生晶须,涂层的断裂形式由常规喷涂材料脆性的沿晶断裂,变为韧性的穿晶断裂。 掺杂15%纳米材料等离子喷涂涂层的经济技术综合指标比较好,与常规等离子喷涂工艺相比,其成本提高了20%,材料的使用寿命延长了一倍以上,操作简便,现场应用效果理想。通过掺杂纳米粒子的材料在等离子喷涂中的应用研究,摸索出了一套在常规等离子喷涂材料中掺杂纳米粒子,提高等离子喷涂涂层性能的新方法,并为纳米材料的大规模工业化应用,开辟了一个新领域。


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