高效能超音速等离子喷涂粒子特性及涂层特点

超音速等离子喷涂技术是热喷涂技术的关键技术之一。从基础及应用的角度,研究了高效能超音速等离子(HEPJet)喷涂粒子的特性,探讨了高效能超音速等离子在制备Ni/Al等金属及其合金涂层、WC-Co金属陶瓷涂层、ZrO2等氧化物陶瓷涂层上的特点。结果表明,高效能超音速等离子喷涂系统具有焰流温度高、射流速度快等特点;制备的涂层粒子变形充分,涂层均匀,孔隙率低,结合强度高,涂层质量好;可将适用于喷涂的所有粉末材料制备成高质量涂层。

等离子射流与喷涂粒子微观交互作用研究现状

从微观角度看,等离子喷涂层实质上是由大量喷涂粒子在等离子射流中经过一系列复杂的理化变换之后,撞击基体并迅速铺展凝固所形成的,因而熔滴撞击基体前的理化特性对涂层的组织结构、缺陷密度、力学性能等指标具有重要影响。通过对喷涂粒子基本特征参数、射流中的传热机理、传质机理与粒子加速行为四个方面的总结,详细综述等离子射流与喷涂粒子的交互作用过程。总体来说,温度、速度是粒子的基本特征参数,而采用一些综合温度与速度的复合参数(如熔融指数、雷诺数、韦伯数等)对熔滴的理化特性具有更好的表征效果;粒子的加热过程由表及里,受到热导率、比表面积、热容量、飞行路径及射流特性等多种因素影响,部分熔滴容易由于温度过高而发生汽化现象;处于熔融状态的粒子具有较高的活性,因而容易在射流中与气体介质发生反应,包括O_2、N_2、H_2等,同时粉体内部也会发生一定的元素迁移或化学反应;粒子在射流中由于受到气流拖拽力、重力、热泳力及气压梯度力的综合作用而不断加速,同时会由于射流特性及熔化状态的差异而发生不同程度的破碎或细化现象。

热喷涂粒子氧化机理分析及其保护方法概述

热喷涂涂层由大量撞击到基体后变形铺展的扁平粒子堆积而成,热喷涂过程中粒子的氧化对涂层的相组成、微观组织以及涂层性能都会有较大影响。本文综述了热喷涂粒子在喷涂过程中的氧化机理及减少粒子氧化的方法。

喷涂粒子在等离子体射流中的加热历程及熔化状态研究

本文通过对水中收集的等离子喷涂熔融粒子进行粒度分析及形貌观察,研究了喷涂粒子在普通大气等离子喷涂(APS)及超音速大气等离子喷涂(SAPS)射流中的加热历程及熔化状态。实验观察到氧化钇部分稳定的纳米颗粒团聚造粒的氧化锆(Y-PSZ)球形粉末颗粒在APS及SAPS射流中传热传质过程中的熔融与"细化"现象有明显不同:在SAPS射流中,尺寸较大(粒径在几十微米)的颗粒大部分形成了十分细小的(小于5μm)颗粒;相对而言,APS中的熔融粒子仍以十几微米以上较大粒径的半熔融粒子为主。进一步研究表明,大尺寸粒子在等离子射流中先从表层熔化,逐渐向颗粒内部扩展,形成柱晶熔区,属典型的梯度熔化模式,最终芯部存留大量细小未熔一次粒子,即所谓半熔融状态;相应的SAPS中大量粒径小于5μm的小颗粒在超音速等离子体射流中整体迅速熔化(即所谓等温熔化模式)。对熔融或半熔融粒子撞击基体后的扁平化过程进行分析表明:在APS射流中扁平粒子的直径一般在100μm以上,且周围飞溅较多,导致典型的层状多孔的粗大组织结构,层间出现较多平行横向裂纹;而SAPS大量细小熔滴撞击基体后,冷却更快,多呈无明显飞溅的直径约10～30μm圆盘状,形成大量细密柱晶交错堆垛而成的、无明显分层的特殊结构。对收集粒子进行X-射线衍射相分析表明,APS及SAPS两种工艺下的熔融粒子均未发生明显相变,相组成主要为室温下非转变四方氧化锆(t’-ZrO2),说明喷涂粒子在高温等离子射流的加热历程中,其晶体结构和化学成分未发生明显变化。

喷涂粒子飞行路径的高速摄像分析及计算模拟

为了满足采用等离子喷涂时获得最佳喷涂质量的要求,利用高速摄像系统对等离子喷涂过程中粒子的飞行路径进行拍摄,将得到的图片进行分析研究,得到粒子的运动速度和轨迹,与计算模拟结果相对比,以确定最优化的喷涂工艺参数.结果表明:随着喷涂电流的增加,喷涂粒子的速度升高;而随着喷涂主气流量的降低,喷涂粒子的速度有所下降.图片分析结果与计算结果相符合,为选择等离子喷涂的最佳工艺参数和获得高质量的涂层提供了理论依据.

基于内存映射文件的冷喷涂粒子参数存储研究

冷喷涂粒子参数采集系统实验平台实现了冷喷涂粒子速度参数检测。在此基础上通过LDI300硬件采集卡采集粒子飞行的电压参数,粒子电压参数作为冷喷涂粒子速度检测的实验数据。采集卡根据设定的每屏采样点数实时更新采集数据,实时快速存储数据到计算机磁盘文件中,这些工作用传统的I/O文件读取技术很难满足实时存储要求。研究了如何通过内存映射文件的方式将喷涂粒子电压参数实时存储到计算机磁盘文件中,以满足数据实时采集和存储的需要。实践证明:在粒子参数存储中,内存映射文件方法相对于传统I/O方法优势明显。

电爆喷涂粒子的约束调控机制及对沉积行为的影响

采用对喷涂粒子进行槽内约束的电爆喷涂方法,研究了喷涂粒子在垂直槽中的约束调控机制及其沉积行为。结果表明:约束深度达20mm时,即喷涂距离为丝径的100倍时,仍可获得连续、均匀的涂层。约束宽度从6mm减小至2 mm,涂层表面呈现出由粗糙的"丘壑状"形貌向均匀的"薄饼状"形貌逐渐过渡的演变趋势,且涂层厚度显著提高;能量密度从57 J/mm^3提高至152 J/mm^3,同样可提高涂层厚度并改善涂层均匀性。对喷涂粒子进行收集,发现减小约束宽度和提高能量密度均可有效细化喷涂粒子并使喷涂粒子粒径分布更加均匀。分析认为,由焦耳加热导致的"热膨胀效应"和击穿电弧伴生的"压力效应"共同决定电爆冲击波和喷涂粒子的形成,并随能量密度和约束参数的变化,对喷涂粒子表现出不同的约束调控作用,使其沉积行为产生显著差异。

高速电弧喷涂枪的设计

高速电弧喷涂技术是热喷涂技术中的高新技术 ,高速电弧喷涂枪是实现高速电弧喷涂的关键装置。采用高速气流技术方案研制了高速电弧喷涂枪 ,在喷枪的设计中采用了超音速喷管 ,使喷枪出口 80mm范围内雾化气流的速度达到 6 0 0m /s以上 ,这有利于增强喷涂粒子的雾化效果 ,提高粒子速度。高速电弧喷涂Al粒子的平均飞行速度达到了 340m/s ,是传统电弧喷涂的 1 4倍 ,从而使喷涂层的质量和性能明显改善 。

低压电弧喷涂涂层组织及其后处理工艺

采用4Cr13、铝和钛喷涂丝材分别在大气环境和低度真空环境中制备了喷涂层.通过金相组织分析和定点成分分析对比了涂层的组织形态、化合物的数量及分布状态;并通过加压试验分析了涂层在压力作用下,涂层内部孔隙弥合的情况;最后通过加热使涂层组织中发生再结晶,研究了再结晶处理对涂层组织的影响.结果表明,低压电弧喷涂可以有效地减少4Cr13和铝涂层中的氧化物数量,且通过加压及再结晶处理可以使涂层粒子间形成冶金结合.但对于钛涂层,所提供的低压喷涂环境还不能提供很有效的防护,再结晶处理也无法获得粒子间良好的冶金结合.

超音速等离子喷涂NiCr-Cr_3C_2工艺的参数优化

采用四因素三水平正交试验,通过在线监测喷涂粒子的温度和速度,对电流、电压、喷涂距离和主气流量四个超音速等离子喷涂的主要参数进行优化设计。结果表明:四个因素对喷涂粒子温度的影响均较大,电压和主气流量对喷涂粒子速度的影响较大;优化的工艺参数为电压150V、电流400A、喷涂距离85cm、氩气流量4.2m3/h,采用该优化工艺,喷涂粒子的平均速度为470m/s,平均温度为2 000℃,涂层结合强度为60MPa,显微硬度为884HV0.3,孔隙率为1.0%,750℃下的体积磨损率为4 793mm3/m。

低压电弧喷涂Ti涂层组织形态及其制备工艺

采用低压电弧喷涂方法制备了Ti涂层,对其成分和组织进行了分析,并研究了喷涂工艺对涂层中杂质含量及对喷涂粒子形态的影响。结果表明,在Ar气保护条件下,防止涂层氧化和氮化仍然有一定的困难,需要采用低真空度保护才可能制备出致密的涂层。另外,分析了变形+再结晶处理工艺对Ti涂层中喷涂粒子界面的作用,并对涂层的耐腐蚀性能进行了试验。

微小尺寸曲面零件电爆炸喷涂技术研究

为研究涂层的分布特征、沉积效率和喷涂粒子的沉积行为,采用自行设计的电爆炸喷涂装置,在直径为(1～4)mm的圆棒表面进行改变喷涂距离的电爆炸喷涂试验。结果表明:当喷涂距离从10 mm增加到30 mm,圆棒可形成涂层的区域范围不断减小,在相同喷涂距离下,不同直径圆棒可形成涂层的区域范围占整个圆棒表面的比例基本相同;随着圆棒直径的增加,在10 mm喷涂距离下,涂层沉积效率从39.5%提高至50.3%,喷涂距离增加至30 mm,涂层沉积效率从8.3%提高至13.8%;喷涂距离为10 mm时不同直径圆棒可形成涂层的最小入射角β为19°～21°,喷涂距离为20 mm时β角提高至24°～25°;喷涂粒子的沉积行为取决于粒子和圆棒表面碰撞时,与撞击点切线垂直的速度分量v_a和与撞击点切线平行的速度分量v_b间的关系,若v_a<v_b,喷涂粒子不能在其表面形成涂层。

喷枪阳极结构对等离子射流及粒子行为的影响

喷枪阳极是等离子喷涂系统中的关键部件之一,其通过电弧的运动行为直接影响等离子射流流动及粒子的加热加速历程,最终决定了涂层的综合性能.为了深入理解大气条件下锥形Laval和标准圆柱形阳极喷嘴制备涂层性能之间存在较大差异的原因,在前期制备涂层工作的基础上继续开展相关的数值模拟工作.基于计算流体动力学理论针对等离子喷涂过程建立包括喷枪内外区域的数学物理模型,系统探究两种阳极产生等离子电弧、射流特征及喷涂粒子的飞行行为.结果表明:在相同的喷涂条件下,锥形Laval阳极内产生的等离子电弧电压低、消耗电功率小,大电流密度区和等离子速度明显较标准圆柱形阳极的小;在喷嘴出口处,标准圆柱形阳极具有更高的等离子射流温度和速度,但锥形Laval阳极的等离子射流在喷枪外具有较小的衰减速率和较大的空间尺寸;在相同喷距位置,锥形Laval阳极的喷涂粒子速度要比标准圆柱形的小得多,但相应的升温和降温速率却更大,熔化也更充分.因此,标准圆柱形阳极适合制备致密且结合强度高的涂层,而锥形Laval阳极则更适合用于制备高沉积效率的多孔涂层.

高效能超音速等离子喷涂射流与涂层特点

超音速等离子喷涂技术是热喷涂技术发展的重要方向之一。通过简化模型计算,比较了常见热喷涂技术的粒子飞行时间、等离子喷嘴喉口的能量密度,探讨了高效能超音速等离子喷涂典型陶瓷、易氧化纯金属、金属陶瓷复合材料、非晶材料等粒子飞行特征和涂层主要性能。结果表明:高效能超音速等离子喷涂技术(HEPJet)所具有的高温、高速双高特点,使其能够对各种熔点、易氧化、易失碳材料实现低成本、高效率、高质量的涂层制备,是一种非常具有应用潜力的热喷涂技术。