等离子喷涂纳米团聚体粉末熔化过程数值模拟

根据等离子喷涂的传热特点,利用ANSYS有限元软件,建立了等离子喷涂纳米团聚体ZrO2-7%Y2O3(7%为质量分数)粉末熔化过程模型,分析了粉末直径和喷涂距离对粉末熔化状态的影响,为优化喷涂工艺参数提供了理论依据。在优化的等离子喷涂工艺参数下,获得了一定比例纳米颗粒熔化后重结晶得到的基体相和未完全熔化的纳米颗粒嵌入相组成的特殊两相结构的纳米结构涂层。

等离子喷涂纳米团聚体粉末热力耦合的有限元数值模拟

采用有限元软件中的间接热力耦合方法,建立等离子喷涂纳米团聚体ZrO2-7%Y2O3(质量分数)粉末热力耦合有限元模型,对喷涂过程中粉末的热应力进行研究,分析粉末直径和喷嘴出口处等离子焰流温度对粉末应力的影响。同时进行相应的等离子喷涂试验,并从理论上分析喷涂过程中粉末破碎的原因及破碎机理。结果表明:在等离子喷涂过程中,粉末中心存在较大的拉压力,随着粉末飞行时间的增加,粉末中心拉应力先增加后减小;粉末直径越大,粉末中心最大拉应力越大,出现最大拉应力的时间越晚;喷嘴出口处等离子体温度越高,粉末中心的最大拉应力也越大,而出现最大拉应力的时间没有明显差别;等离子喷涂纳米涂层的表面有3类组织,单个或少量纳米粒子团、以亚微米级尺度为主的小球以及较大尺度的不规则体;这3类组织是由等离子喷涂过程中纳米团聚体粉末内部较大的拉应力而引起粉末破碎形成的,其破碎形式与爆炸破碎机理相符。

等离子喷涂纳米团聚体粉末的熔化特性研究

纳米陶瓷粉末（CYZ：ZrO2-4.5wt%Y2O3-25wt%CeO2和YSZ：ZrO2-8wt%Y2O3）经过团聚后,采用等离子喷涂（APS）方法在GH30高温合金表面制备热障涂层（TBC）。用透射电镜（TEM）、扫描电镜（SEM）、场发射显微镜（FESEM）和X射线衍射仪（XRD）对团聚体粉末在等离子焰流中的熔化情况、制备的涂层组织结构进行了分析研究。结果表明：团聚后的球形粉末经过等离子弧后对于较大的团聚体颗粒只是表层约1μm被熔化,颗粒内部仍保持原始粉末的纳米结构;制备的涂层主要由熔化结晶部分和未熔化的纳米粒子构成,熔化结晶部分晶粒尺寸为60-80nm,大于原始粉末尺寸;CYZ涂层组成相为稳定的t相和c相,涂层中分布有大量的微裂纹和闭合的孔隙;两种涂层的孔隙率分别为6.2%和7.6%。

等离子喷涂中纳米团聚体粉末温度场数值模拟

在纳米粒子排布方式理想化假设及热物性参数换算基础上,对纳米团聚体Al2O3-13%TiO2粉末等离子喷涂过程中的温度场进行数值模拟,分析粉末直径、喷涂距离及喷嘴出口处等离子焰流温度对粉末熔化状态的影响,并通过试验研究粉末在喷涂过程中的熔化特性.结果表明,要想获得适当且比较均匀的熔化状态,粉末粒度大小范围不宜分布过宽,同时要有合适的喷涂距离以及喷嘴出口温度.在等离子喷涂过程中,粉末中温度低于1 840℃的区域纳米粒子将得到保留,温度介于1 840~2 045℃的区域TiO纳米粒子将选择性熔化,而温度高于2 045℃的区域纳米粒子将完全熔化.

热喷涂用纳米结构Al_2O_3/TiO_2/SiO_2团聚体粉末的研究

对喷雾干燥和不同温度热处理后Al2O3/TiO2/SiO2纳米团聚体粉末的流动性、松装密度及振实密度进行了测试,对喷雾干燥后的粉末进行了热重-差热分析,通过扫描电镜观察了粉末颗粒形貌和大小,采用X射线衍射分析了不同温度热处理后粉末的相组成,并对粉末的综合性能进行了比较。实验结果表明:在1000～1450℃热处理后的Al2O3/TiO2/SiO2纳米团聚体粉末颗粒仍近似球形,粒径在10～100μm之间。随着热处理温度升高,纳米团聚体大颗粒表面发生塌陷,大颗粒之间发生连接,大颗粒内部纳米颗粒明显长大。低于1250℃热处理后的粉末流动性好,振实密度高,适于等离子体喷涂制备纳米结构涂层。

热处理对喷雾干燥制备的Al_(2)O_(3)纳米团聚体粉末的影响

对喷雾干燥和经不同温度热处理后的Al2O3纳米团聚体粉末的松装密度及振实密度进行了测试，通过扫描电镜观察分析了团聚体粉末颗粒的大小和形貌以及纳米晶颗粒的大小，采用X射线衍射分析了热处理后粉末的相组成。实验结果表明，在1050～1250℃热处理后的Al2O3纳米团聚体粉末颗粒仍近似球形，粒径在10～90μm之间。随着热处理温度升高，纳米团聚体大颗粒表面发生塌陷，大颗粒之间发生连接，大颗粒内部纳米颗粒明显长大。低于1250℃热处理后的粉末流动性好，振实密度高，适于等离子体喷涂制备纳米结构涂层。

纳米ZrO_2粉末感应等离子体球化处理工艺研究

采用液体送粉技术及感应等离子体球化技术对纳米YSZ（6%～8%Y2O3-ZrO2）粉末进行了团聚、球化处理,研究了感应等离子体球化处理工艺参数对于粉体球化率的影响,采用三维景深显微镜、场发射扫描电镜、X射线衍射（XRD）研究了球化处理前后纳米YSZ粉末的表面形貌、截面形貌及其相结构。结果表明,采用液体送粉感应等离子球化处理技术,可同时对纳米YSZ粉末进行团聚及其致密化处理,得到的粉末为表面光洁、致密的实心球或空心球粉末,其粒径分布范围为40～100μm;YSZ粉末的相结构在处理前后没有发生变化。

激光多层熔覆制备厚陶瓷涂层

研究了压片预置式激光多层熔覆纳米团聚体Al2O3-13%TiO2粉末制备厚陶瓷涂层,试验中通过保温箱对试样进行预热和缓冷处理、引入超声振动及对熔池温度闭环控制等措施来控制熔覆层的裂纹.结果表明,厚陶瓷涂层各层之间无明显界面,过渡缓和自然,涂层内部致密、连续、基本无孔隙及贯穿性大裂纹等缺陷;涂层由等轴晶的完全熔化区和残留纳米颗粒的部分熔化区组成,而且涂层中的裂纹基本集中于部分熔化区;另外由于经历激光的多次加热,下部区域的晶粒组织要大于上部区域,而由于保温箱的缘故,整个涂层晶粒偏大.

等离子喷涂纳米复合陶瓷涂层的组织结构及其形成机理

以Al2O3-13%TiO2(质量分数)团聚体复合陶瓷粉末为材料,采用等离子喷涂工艺在TiAl合金表面制备纳米结构陶瓷涂层。用扫描电镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)分析粉末和涂层形貌、微观结构及相组成,讨论涂层的微观组织形成机理。结果表明:纳米结构复合陶瓷涂层由部分熔化区以及与常规等离子喷涂类似的片层状完全熔化区组成;根据组织结构的不同,部分熔化区又分为液相烧结区(亚微米A12O3粒子镶嵌在TiO2基质相的三维网状或骨骼状结构)和固相烧结区(经过一定程度长大但仍保持在纳米尺度的残留纳米粒子);等离子喷涂使部分α-A12O3以及全部θ-A12O3转变为亚稳态γ-A12O3;纳米结构复合陶瓷涂层中的完全熔化区、液相烧结区及固相烧结区分别由等离子喷涂过程中纳米团聚体粉末中温度高于A12O3熔点、介于TiO2熔点到A12O3熔点之间以及低于TiO2熔点区域沉积获得,纳米结构涂层中不同部分熔化组织源于复合陶瓷粉末中A12O3与TiO2之间的熔点差异。

等离子喷涂纳米Al_2O_3-13TiO_2陶瓷涂层研究

以常规和纳米团聚体Al2O3-13TiO2(ω/%,下同)复合陶瓷粉末为原料,采用等离子喷涂工艺在TiAl合金表面制备常规和纳米结构陶瓷涂层。用扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)仪分析粉末和涂层形貌、微观结构及相组成,同时对纳米结构涂层的微观组织形成机制进行了讨论。结果表明:常规复合陶瓷涂层呈典型的等离子喷涂层状堆积特征;纳米结构复合陶瓷涂层由部分熔化区以及与常规等离子喷涂类似的片层状完全熔化区组成。根据组织结构的不同,部分熔化区又分为亚微米A12O3粒子镶嵌在TiO2基质相的三维网状或骨骼状结构的液相烧结区和经过一定长大但仍保持在纳米尺度的残留纳米粒子的固相烧结区,不同的部分熔化组织源于复合陶瓷粉末中A12O3与TiO2之间的熔点差异。由于等离子喷涂过程中涂层沉积时的快速凝固作用,不管是常规还是纳米涂层都以亚稳相γ-A12O3为主。

等离子喷涂过程中纳米粒子生长分析

为了研究等离子喷涂过程中纳米粒子的生长情况,从而为喷涂工艺参数优化提供参考,在B rook晶粒生长经典理论基础上,计算了等离子喷涂纳米ZrO2-7%Y2O3粉末过程中纳米粒子尺寸变化,分析了不同温度历程及纳米粒子初始尺寸对其生长的影响.同时,对纳米团聚体粉末进行等离子喷涂试验.结果表明,纳米结构涂层是由一定比例完全熔化区和部分熔化区组成的特殊的两相结构,其中部分熔化区由经过一定长大但仍保持在纳米尺度的纳米粒子组成.试验结果较好的验证了计算结果,表明基于B rook理论的晶粒生长理论对了解纳米粒子在等离子喷涂过程中的生长有一定的理论指导意义.