发展热喷涂技术需基础研究与工程应用并行--访热喷涂技术专家,西安交通大学教授李长久

您一直从事热喷涂涂层沉积机制、涂层结构与性能表征及涂层应用相关的研究工作。您觉得与国外相比,国内热喷涂基础研究的现状如何？一般认为国内基础研究较为薄弱,您在热喷涂基础研究方面做了大量的工作,从热喷涂技术来看,基础研究还有哪些内容需要攻克？

重视研究反革命犯罪侦察理论——李长久同志在贵阳反革命犯罪侦察学术讨论会上的发言

听了慕丰韵同志的讲话,对我很有启发,这个讲话回顾了我们党侦察、情报工作发展的历史,联系了我们党情报工作、侦察工作的正反两方面经验教训,同时透过我们情报侦察工作的现实,提出了一些极为重要的原则性问题,我觉得讲的既直率、诚恳,又有强烈的针对性。无论对我个人,或对从事侦察理论研究,从事侦察工作教学。

添加WC颗粒对镁合金表面等离子喷涂Al基涂层耐腐蚀和耐磨损性能的影响

常规热喷涂工艺制备的金属涂层内的粒子界面弱结合导致其不能为基材提供长效的腐蚀防护,因此,采用大气等离子喷涂,实现粒子间的冶金结合,制备高致密Al-15%WC(体积分数)复合涂层。结果表明,由于WC颗粒中C元素的去氯效应,以及超高温熔滴(>1800℃)间的自冶金结合,在最优等离子喷涂条件下制备出无氧化物杂质的涂层。涂层的致密结构使其表现出优异耐腐蚀性能,其腐蚀电流密度比镁合金基体降低4个数量级,比纯铝块材降低2个数量级。WC硬质颗粒的添加使Al-WC复合涂层的耐磨损性能相较纯Al块材提高1个数量级。

高速低温喷涂气固作用行为及喷涂系统研究进展

高速低温喷涂是利用固相或含固相的低温粉末在高速度、高动能作用下碰撞基体表面沉积的喷涂方法,具有氧化轻微、结合牢固、组织致密、综合力学性能优异等潜在优势,在高性能金属或金属基复合材料涂层制备、增材制造和零件损伤修复等领域获得广泛关注。以粉末低温高速碰撞沉积过程为主线,凝练现有冷喷涂和低温超音速火焰喷涂两种具体工艺的共性特征,阐明喷涂气流与粉末颗粒的气固两相交互作用规律,分析出合理调控颗粒温度和速度是改善沉积体性能的关键。其次分析高速低温喷涂设备系统的构成,详细讨论各核心部件的结构设计策略及对气固流动行为的影响,总结出通过调整工艺参数与喷枪结构,可以实现颗粒温度和速度的按需控制。最后,对高速低温喷涂工艺及设备系统发展目前尚存的关键问题进行展望。总结如何通过喷涂参数与装置设计,最终达成调控沉积体性能的目的,有助于深入理解高速低温喷涂的沉积机理,对研制高性能的喷涂设备系统具有参考意义。

粉末尺寸对等离子喷涂Li_(1.3)Al_(0.3)Ti_(1.7)(PO_(4))_(3)电解质成分与结构的影响

全固态锂离子电池(ASSLiBs)由于其能量密度高、安全性好、长期稳定性优越等特点,被广泛研究应用于替代液态电解质锂电池,而发展致密高性能固态电解质的低成本大规模制备技术是推动ASSLiBs商业应用的关键。NASICON型Li_(1.3)Al_(0.3)Ti_(1.7)(PO_(4))_(3)(LATP)固态电解质因其离子电导率高、化学稳定性优越,有望应用于ASSLiBs制造。本研究采用具有低成本制造特征的大气等离子喷涂技术制备了LATP单个粒子和涂层,系统研究了喷涂参数和粉末粒径对涂层中的P元素含量和涂层的组织结构的影响,探讨了喷涂过程中P元素蒸发损失存在的尺寸效应。结果表明电弧功率对可完全熔化的LATP粒子的临界直径具有显著影响,能够完全熔化的最大粉末粒径随电弧功率的增加而增大,在42 kW下,50μm以下的粉末可以完全熔化;在完全熔化条件下,当粉末粒径小于25μm时,P的损失量随着粉末粒径的增大而减少;当粒径大于25μm时,P的蒸发损失达到最小且随粉末粒径变化较小;电弧功率对P的蒸发影响显著,当电弧功率从34 kW增加至42 kW时,P的损失量从5%增加至10%。采用粒径范围30~50μm的LATP粉末,通过喷涂参数适配,可以制备具有良好层间结合,相结构稳定的适合于ASSLiBs的致密LATP电解质。

超高速线光斑激光熔覆不锈钢涂层显微结构及性能研究

目的设计超高速线光斑激光熔覆送粉喷嘴,在极高的熔覆效率和极低的搭接率下制备不锈钢熔覆涂层,对比研究圆光斑及线光斑下的熔覆涂层的微观组织结构及性能。方法基于送粉喷嘴流场及粉末粒子运动轨迹的模拟研究,设计超高速线光斑激光熔覆专用送粉喷嘴。在此基础上,以27Si Mn为基体,采用1mm×10 mm线光斑,在10%搭接率、熔覆效率4.5 m^(2)/h下,采用超高速线光斑激光熔覆FeCr合金薄涂层;作为对比,采用超高速圆形光斑(2 mm)激光在0.2 m^(2)/h熔覆效率下熔覆FeCr合金涂层。采用SEM、XRD对比分析线光斑/圆光斑涂层微观组织结构与涂层显微硬度。结果通收束角度为25°~27°的单流道送粉喷嘴可得到分布均匀、飞行速度适中的粉末束流。对比研究超高速线光斑及圆光斑激光熔覆涂层可知,相同扫描速度下2种光斑制备的涂层均较为致密,无裂纹与气孔,由熔覆层底部到熔覆层表面均呈现出平面晶—柱状晶—等轴晶的变化趋势,线光斑和圆光斑涂层硬度在700~800HV,线光斑下的熔覆层硬度分布更加均匀,表面粗糙度Ra可低至<4μm,搭接率可低至10%,熔覆效率可达4.5 m^(2)/h,远高于圆光斑激光下的熔覆效率。结论2种光斑模式下的涂层微观组织、相组成及硬度相当,但超高速线光斑激光熔覆层表面光洁度更高,表面粗糙度更低,熔覆效率可达圆光斑的20倍。

粉末尺寸对等离子喷涂Na_(3)Zr_(2)Si_(2)PO_(12)电解质成分和组织结构的影响

全固态钠离子电池由于安全性和元素丰度等天然优势,在大规模储能领域具有巨大的应用潜力。全固态电池的核心是固态电解质,NASICON型的Na_(3)Zr_(2)Si_(2)PO_(12)(NZSP)电解质因为离子电导率高、热稳定性与力学性能优异等优点而受到广泛关注。本研究采用大气等离子喷涂沉积单个NZSP扁平粒子和沉积体,系统研究了粉末粒度分布和喷涂参数对NZSP粒子元素蒸发和沉积体组织结构的影响。通过沉积单个粒子,揭示了等离子喷涂参数对NZSP粉末粒子的熔化程度和Na、P元素优先蒸发的影响规律。结果表明,等离子电弧功率与氢气流量对其蒸发影响显著,元素蒸发损失量存在明显的粒子尺寸效应,粒径小于约35μm时,随粒径的减小,Na与P的蒸发损失量显著增加,当粒径增加至35μm以上时,Na与P的蒸发损失量受粒径的影响显著减小且整体损失量也有限;通过对粒径范围的控制能够将等离子喷涂过程中Na元素的损失量控制在10%以下,P元素损失量控制在20%以下。采用粒径范围30~50μm的NZSP粉末,结合大气等离子喷涂参数控制可以得到无明显层状结构的良好层间结合的组织结构致密电解质,表明大气等离子喷涂在全固态钠离子电池固态电解质的制备中具有广阔的应用前景。

热障涂层脱粘裂纹缺陷的高温表征方法与演变规律

热障涂层在服役过程中相邻区域脱粘裂纹的扩展合并是造成陶瓷层最终剥落的重要原因,然而缺乏简单有效的无损测试方法。提出利用空腔高热阻在陶瓷层表面局部热积累,形成表面亮斑的特点,通过亮斑反向跟踪脱粘缺陷的新方法。结果表明,在界面处制备水溶性盐斑,继续喷涂陶瓷层后用水浴溶解的方式可在YSZ与金属粘结层界面有效预制特定外形与尺寸的人造脱粘裂纹缺陷;预制脱粘裂纹与表面高温亮斑尺寸呈正相关,且近似呈现为比例系数为1.031的线性关系,当预制裂纹直径大于0.4 mm时,可在涂层表面观测到亮斑,当预制裂纹直径大于0.7 mm时,用亮斑尺寸预测裂纹尺寸的相对误差低于15%;在梯度热冲击循环下,热障涂层随热冲击次数的增加,表面首先出现亮斑,随后亮斑长大、合并,在2500次左右热循环时合并速度加快,最终陶瓷层在亮斑处局部剥落。基于脱粘裂纹对于纵向热流的阻碍作用,提出一种人造脱粘裂纹缺陷的预制方法,并确立一种通过测量表面亮斑尺寸估计内部裂纹尺寸的热障涂层无损测量方法。解决了热障涂层高温缺陷难以实时观测的问题,并进一步研究了其高温演变规律,可为热障涂层的寿命预测提供数据支持。

粉末中C抑制FeAl熔滴氧化机制及其对等离子喷涂层组织与性能的影响

大气等离子喷涂(APS)金属时,熔滴不可避免地发生氧化是难以获得粒子间结合充分的致密涂层的主要原因。以FeAl金属间化合物为例,提出一种在粉末中添加亚微米金刚石颗粒引入碳源,以期利用碳在高温下优先氧化的特性抑制等离子喷涂飞行粒子中Fe、Al元素的氧化,获得无氧化物的高温熔滴从而制备低氧含量(质量分数)、粒子间充分结合的FeAl金属间化合物涂层的新方法。采用APS制备Fe Al涂层,研究金刚石的添加对涂层氧含量、碳含量、涂层内粒子间结合质量与硬度的影响规律,探讨FeAl熔滴飞行中的氧化行为。采用商用热喷涂粒子诊断系统测量APS喷涂中的粒子温度,通过SEM与XRD表征了涂层的组织结构,并表征涂层的结合强度与硬度。结果表明,在等离子射流的加热和Fe、Al元素放热反应的联合作用下,飞行中FeAl熔滴的表面温度可达2 000℃以上,满足C原位脱氧的热力学条件。与不含碳的传统Fe Al涂层中的氧含量随喷涂距离的增加而显著增加的规律完全不同,用Fe/Al/2.5C粉末喷涂时涂层中的氧含量随距离的增加而减小,表明飞行中熔滴的氧化得到抑制,实现了C原位脱氧抑制金属元素氧化的自清洁氧化物的效应。FeAl/2.5C涂层氧含量由传统FeAl涂层的3.67 wt.%显著降至0.62 wt.%以下,涂层中有限的氧化物主要来源于粒子沉积后氧化。因Fe Al/2.5C熔滴温度超过2 100℃,实现了熔滴碰撞引起同质涂层粒子表面熔化的自冶金结合效果,提升了涂层的致密性,其表观孔隙率由2.2%降至0.28%;涂层结合强度高于59.2 MPa,且因涂层由FeAl相及Fe3AlCx渗碳体相组成,其硬度达到590 HV0.3,约为传统Fe Al涂层的2倍。

大气物理气相沉积行为对层流等离子喷涂Mo涂层结构影响

通过提高基体温度或粒子温度可以突破大气等离子喷涂涂层结合率一般不超过1/3的瓶颈,然而目前粒子温度难以通过提高功率等方式进一步提高。基于大气层流等离子喷涂的相关研究证明了层流等离子射流具有射流长度长、速度低、能量密度高等特点,能够有效通过提高粒子在等离子射流的滞留时间从而实现对粒子的充分加热。为了研究层流等离子喷涂高熔点Mo涂层的结构演变规律与关键影响因素,并推导出金属与陶瓷涂层的一般沉积行为,使用扫描电子显微镜对三种喷涂参数下制备的Mo涂层的结构进行了表征与分析。结果表明,喷涂过程中,在等离子射流以及高温粒子对基体的原位加热作用下,Mo的氧化物蒸气能够在等离子射流扫掠中与扫掠后附着、沉积在涂层表面,从而影响后续Mo粒子的沉积而改变涂层的微观结构。涂层的结构主要与Mo粒子的蒸发和基体温度有关。粒子蒸发越剧烈,基体温度越高,涂层越趋向于呈现出多孔岛状凸起结构;粒子蒸发越弱,涂层越趋向于呈现出层状结构,有利于实现低氧化、高致密金属涂层的制备,拓宽等离子喷涂的应用。综合以上研究结果,揭示层流等离子射流中的粒子大量蒸发现象与气相沉积过程,为其作为一种大气环境物理气相沉积的实施方式奠定了基础。

等离子喷涂NiCrMo-NiCrBSi合金减摩涂层的摩擦磨损性能

内燃机在工作时活塞环与缸套发生摩擦,将造成能量损失与缸体的磨损损伤。针对缸套与活塞环的摩擦磨损问题,采用复合材料理论设计了成分为NiCrMo-30%NiCrBSi的复合减摩涂层。利用大气等离子喷涂技术,采用NiCrMo-NiCrBSi混合粉末制备了减摩涂层,研究了该涂层的断面组织、硬度及其在模拟缸套-活塞环摩擦磨损条件下的摩擦磨损行为。试验结果表明,采用混合粉末喷涂,可以获得结合良好、硬度适中(564 HV_(3N))的复合涂层。在干摩擦磨损条件下,NiCrMo-NiCrBSi复合涂层表现出优异的综合耐磨损性能,涂层自身与对磨件(销)的磨损量都较小,且表面可生成MoO_(2),降低摩擦系数;在油润滑磨损条件下,由于表面生成MoS_(2),摩擦系数显著降低(稳定后约为0.1),复合涂层与摩擦副的磨损几乎可以忽略。

微束等离子喷涂工艺条件对Cu涂层组织和性能的影响

采用微束等离子喷涂系统在 2 8～ 4 2kW的小功率条件下制备了Cu涂层 ,研究了电弧功率、工作气体流量和喷涂距离对粒子速度与涂层显微组织结构和硬度的影响 .试验结果表明 ,电弧功率与喷涂距离对粒子速度的影响不明显 ,但工作气体流量对粒子速度的影响较大 ,电弧功率与喷涂距离对涂层的硬度影响较大 ,而工作气体流量对涂层的硬度影响较小 .分析表明 ,粒子的温度对涂层硬度有较大的影响 ,采用微束等离子喷涂制备的Cu涂层硬度与用传统等离子喷涂设备在30kW下制备的涂层硬度相当 .

粉末结构对超音速火焰喷涂WC系金属陶瓷涂层结合强度的影响

采用４种典型的ＷＣ系硬质合金粉末与Ｗ－Ｎｉ复合粉末研究了粉末结构、粘结相的成分与含量以及超音速火焰喷涂（ＨＶＯＦ）条件对涂层结合强度的影响。结果表明：对于具有高熔点的ＷＣ及Ｗ颗粒构成的复合粉末ＨＶＯＦ涂层的结合强度大于粘结胶的强度（约６５ＭＰａ）几乎不受粉末结构和粘结相成分的影响。试验表明：喷涂粒子具备液固两相结构是ＨＶＯＦ涂层获得高结合强度的必要条件，而ＷＣ与Ｗ的高密度是保证ＨＶＯＦ涂层高结合强度的充分条件。

表面熔融粒子结构对超音速火焰喷涂层结合性能的影响

探讨了在超音速火焰喷涂 (HVOF)过程中所形成的表面金属层熔化而芯部陶瓷相不熔化的表面熔融粒子结构 .研究了这种粒子结构对HVOF涂层结合性能的影响规律 ,发现固态颗粒的密度及体积分数与结合强度有直接的对应关系 .提出了综合考虑固态粒子密度、体积分数及速度 ,表征半熔结构状态对涂层结合性能影响的有效固相质量和有效固相动能两个参量 .有效固相质量定义为固态粒子密度和其体积分数平方的乘积 ,有效固相动能定义为有效固相质量与粒子速度平方的乘积 .试验结果表明 。

碳化钨颗粒尺寸对超音速火焰喷涂WC-Co涂层形成的影响

通过探讨WC颗粒对扁平粒子厚度及喷涂后WC颗粒尺寸变化的影响，研究了超音速火焰喷涂过程中WC－Co深层的沉积过程。使用具有不同WC尺寸的四种WC-Co粉末，采用JET－KOTE喷枪系统喷制了WC－Co涂层。结果发现涂层中WC颗粒的大小主要取决于原始粉末中WC的尺寸．在粉末穿越火焰的过程中，大多数WC处于固态；WC-Co涂层的沉积涉及固液两相离子的扁平化，而不是象在优化条件下金属或陶瓷材料喷涂过程中仅存在单一液相的情况。很明显WC-Co粉末中的WC的大小对涂层的形成影响很大、在超音速火焰喷涂条件下当液固粒子碰撞到已形成的涂层表面上时，其中的大颗粒WC粒子容易被反弹脱落。基于实验结果，提出了计算由液相聚积固相形成的波固两相颗粒碰撞到表面时形成扁平粒子的厚度的模型。

等离子喷涂AI_2O_3涂层内粒子间结合的研究

论述了通过对等离子喷涂Al_2O_3涂层内电镀铜,利用镀入的铜在涂层断面上的分布,定量地测定涂层内粒子间结合的方法及结果.结果表明,粒子间最大的平均结合率占所有界面的32%.这种有限的结合被认为是受熔化粒子的温度及熔滴与涂层的作用时间影响所致.

冷喷涂金属涂层的耐腐蚀性能的提升方法

沉积温度低的特点使冷喷涂可避免喷涂金属粉末的氧化及对基材的热影响,是制备高致密金属涂层的有效方法,在耐腐蚀金属涂层制备方面具有广阔的应用前景。然而在粒子高速碰撞沉积过程中,容易因粒子的塑性变形程度不足而在粒子界面形成孔隙,相互连通的孔隙导致涂层不能隔绝腐蚀介质的渗入,因此不具备长效腐蚀防护作用。对此,本文首先介绍了冷喷涂金属涂层的显微组织特点;其次,重点从基于热作用、力作用和热力耦合作用的原位处理或后处理总结了改善冷喷涂金属涂层内部粒子间结合质量,进而提升金属涂层耐腐蚀性能的方法,包括原位喷丸辅助冷喷涂方法、热处理、激光重熔、搅拌摩擦处理与热轧处理等,最后,针对当前冷喷涂耐腐蚀涂层的发展现状,总结了亟待解决的问题和发展方向。

锑掺杂钒磷封接玻璃的析晶稳定性研究

以80V_2O_5-20P_2O_5-xSb_2O_3(x=0,1,3,5mol%)系统玻璃为研究对象,对其进行红外吸收光谱、拉曼光谱、X射线光电子能谱和固体静态核磁共振测试,研究玻璃的网络结构,分析钒磷玻璃中掺杂锑后析晶稳定性提高的机理.结果表明:钒磷系封接玻璃中加入少量的Sb_2O_3后,玻璃网络结构中桥氧比例增加,非桥氧比例下降;同时V^(4+)/V^(5+)增加,这两点原因导致形成V_2O_5晶相所需的V=O键大幅断裂,抑制了该晶相的生成.Sb_2O_3的引入,破坏了网络平衡态的结构,使(VO_3)_n单链逐渐转化为(V_2O_8)n锯齿状链,玻璃结构更加紧密,难以析晶,析晶稳定性提高.

微束等离子喷涂Al_2O_3陶瓷涂层特性

采用轴向中心送粉式微束等离子喷涂系统在2kW级的小功率条件下制备了Al2O3陶瓷涂层。研究了电弧功率、工作气体流量和喷涂距离对粒子速度与涂层组织结构和性能的影响。采用光学显微镜观察涂层的组织结构,采用X射线衍射分析涂层的相结构,采用磨粒磨损质量损失表征涂层的性能,用热辐射粒子速度温度测量系统测试工艺参数对喷涂粒子速度的影响。结果表明,电弧功率、工作气体流量和喷涂距离对粒子速度的影响都比较明显,粒子速度随着电弧功率和工作气体流量的增加而增加,随着喷涂距离的增加而下降。涂层的磨粒磨损质量损失随电弧功率的增加而减少,而随工作气体流量和喷涂距离的增加而增加。分析表明粒子的温度对涂层磨粒磨损质量损失有较大的影响。采用微束等离子喷涂可以制备磨粒磨损性能与传统等离子喷涂在38kW下制备的涂层相当的Al2O3涂层。

超音速火焰喷涂及涂层性能简介

本文简要介绍了超音速火焰喷涂的原理、发展状态；比较了超音速火焰喷涂层、等离子喷涂层、爆炸喷涂层、自烙合金喷熔层以及电镀硬铬层的硬度和耐磨损性能；介绍了超音速火焰喷涂层的部份应用实例及其应用效果。