超音速火焰喷涂铁基非晶纳米晶涂层的工艺参数与性能试验

为了进一步深入研究铁基非晶涂层的制备和性能,利用人工神经网络和多因素多水平设计对超音速火焰喷涂技术制备的铁基非晶纳米晶涂层的工艺参数和性能进行了优化,以期对铁基非晶涂层的实际应用提供参考.多因素多水平试验通过设计分析方法和设计实验参数,建立神经网络模型,研究了煤油量、氧气量、送粉率和喷涂距离四项工艺参数对涂层孔隙率、硬度、结合强度和沉积效率的影响规律.采用扫描电镜、透射电镜等手段表征了粉末及涂层的显微结构和内部微观组织形貌;采用X射线衍射仪、同步热分析仪等设备对粉末和涂层成分、相组成和非晶程度进行了观察分析.验证了工艺参数优化过程的计算机模拟结果,确定了最佳喷涂工艺参数范围,进一步提升了涂层的性能.讨论了喷涂过程中孔隙形成的微观过程和非晶纳米晶对涂层性能的影响机理.研究表明各工艺参数对涂层性能是多因素互相影响的,理论上最佳喷涂工艺参数为煤油量23 L·h^(-1)、氧气量51 L·h^(-1)、送粉率72 g·min^(-1)、喷涂距离280 mm,制备出的铁基非晶涂层厚度约为270μm、孔隙率约为1.3%、结合强度约为84 MPa、硬度约为1110 HV_(0.3).涂层非晶程度在80%左右,纳米晶尺寸为3~5 nm,涂层在600℃以下不会发生晶化过程.

超音速火焰喷涂410不锈钢涂层组织结构及摩擦学行为研究

采用超音速火焰喷涂技术制备氧燃比为4.36、4.91及5.51的410不锈钢涂层,利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和显微硬度仪分析表征涂层微观组织结构及力学性能.研究微观组织结构和粉末沉积特性对涂层在干滑动摩擦条件下磨损性能的影响.结果表明:随着氧燃比的升高,涂层结构变得均匀致密,涂层孔隙率由0.71%下降至0.38%,涂层显微硬度略下降约1%.随着氧燃比的增加,涂层磨损率从17.96×10^(-6) mm^(3)/(N·m)下降至9.35×10^(-6) mm^(3)/(N·m),涂层耐磨性能升高,并且稳定磨损阶段涂层主要磨损机制从分层磨损和磨料磨损转变为氧化磨损和轻微磨料磨损.当氧燃比为5.51时,涂层具有较低的孔隙率和均匀的微观结构,涂层的分层磨损倾向更低.

基于超音速火焰喷涂的飞机燃油泵电机转轴修复技术研究

某飞机离心式燃油泵电机转轴长时间与动密封配磨产生机械损伤,从而导致机上燃油泵油嘴漏油,影响飞行安全。为解决转轴的磨损问题,采用超音速火焰喷涂WC硬质合金涂层的方法对转轴进行增材修复。通过调整超音速火焰喷涂煤油流量在2Cr13基体表面喷涂了3种不同组织结构和力学性能的WC-12Co硬质合金涂层,研究了煤油流量对涂层孔隙率、显微硬度、断裂韧性、结合强度以及涂层磨损性能的影响规律。结果表明:在氧气流量不变的情况下增加煤油流量能够提升粒子的温度和速率,降低涂层的孔隙率,提升涂层的断裂韧性以及结合强度;涂层越致密,涂层的硬度越大,同时致密的结构可以减少WC粒子在摩擦过程中的剥落,涂层耐磨性好。通过试验获得了最佳的转轴修复工艺参数,修复后的转轴经过1000 h磨合试验后涂层无明显磨损和损伤,尺寸变化量不大于0.01 mm,产品性能符合技术要求。

超音速火焰喷涂Ni-CeO_(2)复合涂层的数值模拟及耐磨耐腐蚀性能

超音速火焰喷涂因其制备的涂层具有优异性能而被航空航天、石油化工等领域广泛使用,其工艺参数较为复杂且对涂层质量具有重要影响,但对其制备Ni基涂层的工艺参数选择及涂层性能研究相对较少。采用数值模拟的方法对超音速火焰喷涂Ni基涂层进行模拟,并对焰流与粒子特性进行分析;利用模拟指导试验,在316L不锈钢基体上成功制备Ni-CeO_(2)复合涂层;对复合涂层组织形貌及耐磨耐腐蚀性能做进一步研究。研究结果表明:当氧气煤油比等于3,注入颗粒粒径在20~80μm时,喷涂工艺最优;在添加CeO_(2)后,复合涂层的耐磨性能耐腐蚀性能均得到提升,且当CeO_(2)含量为1 wt.%时,涂层硬度最大,摩擦因数最低,其摩擦因数相较于基体降低了39.8%,相较于Ni基涂层降低了22.2%,其耐磨性能相较于Ni基涂层提升了62.5%。探究了超音速火焰喷涂工艺参数对喷涂系统状态的影响,分析了添加CeO_(2)在复合涂层中的作用,对超音速火焰喷涂Ni-CeO_(2)复合涂层具有引领与推动作用。

超音速火焰喷涂微纳WC-Cr_(3)C_(2)-CoNi涂层的结构与性能

为了研究双相碳化物金属陶瓷沉积行为对涂层结构性能的影响,分析了原始粉末、低碳钢基体上扁平粒子的表面形貌与截面结构,研究了超音速火焰喷涂微纳WC-Cr_(3)C_(2)-CoNi粒子的沉积涂层的组织结构、相结构和力学性能。研究结果表明:基体上沉积粒子呈现表面光滑浮凸的饼状,且粒子周边出现了径向溅射条纹,扁平粒子厚度远小于其径向尺寸。涂层截面显微组织结构呈现一定的层状特征,硬质相与粘结相、扁平粒子与扁平粒子、扁平粒子与基体及不同硬质相之间的界面结合良好。涂层相结构主要为WC、少量脱碳相、非晶相。Cr_(2)O_(5)涂层的显微硬度、弹性模量、断裂韧性、结合强度和磨损失重量分别为(13.19±0.52)GPa,(145.17±3.89)GPa,(2.59±0.64)MPa・m^(1/2),(38.41±0.51)MPa和(6.08±0.68)mg。相比WC-Co12涂层,超音速火焰喷涂WC-Cr_(3)C_(2)-CoNi涂层WC分解及其失碳相显著降低,力学性能明显提高。

超音速火焰喷涂制备Cr涂层及其高温氧化性能

目的探索一种高效制备核电用包壳材料锆合金表面涂层的方法,以应对反应堆失水事故,提高核电安全性。方法采用超音速火焰喷涂技术在Zr-4合金表面制备Cr涂层,高温氧化试验在1200℃空气中进行,氧化时间30 min。通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)研究Cr涂层氧化前后的结构和显微组织。采用划痕法测试涂层与基体结合力。采用金相显微镜(OM)观察划痕形貌。结果采用HVOF技术可以在锆合金基体上制备的涂层主要为体心立方结构的金属Cr同时含有约21.9%密排六方结构(HCP)的Cr_(2)O_(3)。抛光可以减少Cr_(2)O_(3)至约10.1%。涂层由层状结构、未熔颗粒和少量孔隙组成。Cr_(2)O_(3)主要分布在层状结构中,未熔颗粒形成的不规则块状结构基本不含氧,主要为金属Cr。涂层与基体的结合力为77~94 N。喷涂工艺参数为煤油流量23 L/h、氧气流量880 L/h、喷涂距离330 mm的涂层样品结合力最高,为94 N。在1200℃空气中氧化30 min后,涂层靠近基体界面处形成11~14μm厚的连续致密层,而靠近界面处的基体衬度变暗,能谱信息显示含有Cr,因此判断该区域为Zr-Cr过渡层,厚度约为5μm,说明存在基体与涂层的互扩散层,且Zr向涂层的扩散速率明显大于Cr向基体的扩散速度。有Cr涂层的Zr基体没有发生氧化,涂层内部也基本没有氧化,而没有涂层覆盖的基体氧化层厚度在120μm以上。结论采用HVOF可以在锆合金表面制备出结构致密、与基体结合紧密且抗高温氧化性能优良的金属Cr涂层。

热处理工艺对超音速火焰喷涂Al-Cu-Fe准晶涂层性能影响

目的使用超音速火焰喷涂(HVOF)方法制备Al-Cu-Fe准晶涂层,研究热处理温度对涂层中准晶相含量和性能的影响以及封孔处理对涂层耐蚀性的改善。方法以304不锈钢为基体和真空雾化Al-Cu-Fe准晶粉末为热喷涂材料,采用超音速火焰喷涂方法制备准晶涂层,并进行550~700℃热处理。利用透射电镜、扫描电镜、光学显微镜、能谱分析仪和X射线衍射仪分析准晶粉末和涂层的衍射花样、微观形貌、成分和相结构。分别使用显微硬度仪和电化学工作站对比测量304不锈钢和准晶涂层的硬度和耐蚀性能。结果粉末中二十面体准晶相(I相)为主相,并伴生准晶类似相(β相)。经过超音速火焰喷涂后,涂层中I相和β相的含量分别为78.7%和21.3%,相组成与原始粉末接近。550℃和600℃热处理1h后,涂层中β相消失,I相占比进一步上升,并伴随Al2Cu(θ相)产生。随着热处理温度继续升高至650℃,β相开始重新析出;当热处理温度升至700℃,β相占比增至13.5%。热处理后准晶涂层的最高硬度为674HV,为304不锈钢硬度(182HV)的3.7倍。准晶涂层经过热处理和表面封孔后,其在3.5%NaCl溶液中腐蚀的速率低于304不锈钢。结论合适的热处理温度是制备高纯准晶涂层的关键因素,准晶含量的提升有利于提高准晶涂层的硬度和耐蚀性。

超音速火焰喷涂镍基涂层颗粒沉积特性的数值模拟

目的 考虑后续不同粒径颗粒随机冲击的影响,探索热喷涂涂层颗粒的沉积特性。方法 利用ABAQUS建立颗粒与基底冲击模型,通过颗粒冲击的凹坑深度和应力分布进行网格收敛性研究。通过实验验证模型的可行性。随后,应用验证模型研究颗粒以不同入射角和速度冲击基底时的沉积特性,以及4个颗粒重叠冲击基底及多颗粒随机冲击基底表面时的沉积特性。结果 在颗粒入射角从15°增至60°时,颗粒更好地附着于基底表面;当颗粒速度从350 m/s增至500 m/s时发生了溅射现象,可能造成绝热剪切失稳现象,形成有效结合;在4个颗粒冲击基底时,第2个颗粒对第1个颗粒及基底的影响都最明显;当多颗粒随机冲击基底时,在后续颗粒的冲击和沉积作用下,填充颗粒的形状不规则,同时第1层颗粒可能与基底形成机械咬合。结论 在超音速火焰喷涂时应当倾斜一定角度,同时提升颗粒速度,这对制备涂层更有利;在颗粒重叠冲击时,后续颗粒增大了第1个颗粒的压缩效果,且更深入地嵌入不锈钢基底,这有利于颗粒与颗粒之间的后续黏结;当多颗粒随机冲击基底时,在第1层沉积颗粒与基底之间,以及涂层内相邻颗粒之间均观察到高塑性应变,表明涂层出现黏结,同时后期沉积的颗粒未完整压缩变形。

超音速火焰喷涂NiCoCrAlY/Al_(2)O_(3)-10%B_(4)C涂层的制备及抗氧化性能研究

目的 提高金属/陶瓷体系高温固体润滑耐磨涂层的抗氧化性能。方法 采用离心喷雾造粒、高压氢还原镀镍和固相合金化技术,制备包覆型NiCoCrAlY/Al_(2)O_(3)-10%B_(4)C复合粉体,并采用超音速火焰喷涂技术在镍基高温合金上沉积复合涂层材料,通过SEM和XRD研究粉体和涂层的显微结构和物相组成,通过马弗炉研究涂层在高温下的氧化性能。结果 Al_(2)O_(3)-B4C颗粒表面均匀包覆着一层厚度为2~3μm的NiCoCrAlY合金。超音速火焰喷涂NiCoCrAlY/Al_(2)O_(3)-10%B_(4)C复合涂层结构致密,孔隙率仅为0.45%±0.05%,涂层与基体结合良好。涂层和粉体的主晶相均为Ni的固溶体、α-Al_(2)O_(3)相和B4C相,涂层衍射峰强度比粉体有所降低。在850℃氧化96 h后,涂层表面生成了一层连续的灰色物质,其厚度为1~3μm,经EDX分析,其主要元素组成为O、Ni、Al和Cr,说明主要成分为Ni、Al和Cr的金属氧化物。涂层在850℃的氧化动力学曲线分为2个阶段,氧化初期,涂层快速氧化,生成以NiO、Al_(2)O_(3)和Cr_(2)O_(3)为主的混合氧化物膜;氧化后期,涂层进入稳定氧化阶段,此时涂层的氧化过程主要由O在氧化膜中的扩散速度决定。结论 涂层在850℃的抗氧化性能良好,可在850℃的氧化环境下使用。

添加CeO_(2)对超音速火焰喷涂微纳米结构WC-10Co4Cr涂层组织和性能的影响

采用超音速火焰(HVOF)喷涂技术制备了微纳米结构WC-10Co4Cr涂层和质量分数1%CeO_(2)改性微纳米结构WC-10Co4Cr涂层,研究了CeO_(2)的添加对涂层显微组织、力学性能和耐磨粒磨损性能的影响。结果表明:CeO_(2)的添加对粉末烧结过程中Co_(3)W_(3)C相的形成有抑制作用,同时能够减少喷涂过程中W_(2)C相的生成;CeO_(2)改性涂层的孔隙率为未改性涂层的72%;CeO_(2)的添加会加剧涂层的铬元素聚集程度,不利于CoCr黏结相的生成;CeO_(2)改性涂层的力学性能和耐磨粒磨损性能均低于未改性涂层,显微硬度和断裂韧度分别降低了11%和7%,经过15 600 r磨损后,其磨损质量损失率比未改性涂层高36%。

超音速火焰喷涂WC-Cr_(3)C_(2)-CoNiLa粒子沉积行为

通过分析原始粉末、水中沉积粒子及低碳钢基体上沉积粒子的表面形态及截面组织结构,结合沉积涂层组织结构特征分析,研究了超音速火焰喷涂WC-Cr_(3)C_(2)-CoNiLa粒子沉积过程中组织结构形态的演化与涂层结构的形成机制。结果表明:水中沉积粒子表面出现了光滑区域,粒子中WC颗粒由原始粉末中尖角轮廓演化为光滑轮廓的形态,也出现了表面带有脚趾状凸起的颗粒。基体上扁平粒子为具有浮凸光滑致密表面的盘状或饼状。涂层呈现含有硬质相颗粒、条纹或带状特征的层状结构,涂层中硬质相与扁平粒子中的硬质相形态基本相同,其尺寸小于原始粉末和水中沉积粒子中的硬质相。

超音速火焰喷涂WC-10%Co4%Cr涂层的研究现状

超音速火焰喷涂技术制备的WC-10%Co4%Cr涂层具有高硬度和良好的耐磨性能,广泛应用于石油化工、航空航天等领域,是一种重要的材料表面防护方法。影响超音速火焰喷涂WC-10%Co4%Cr涂层性能的因素较多,本文通过对喷涂粉末特性、喷涂工艺、喷涂预处理和后处理等因素对超音速火焰喷涂WC-10%Co4%Cr涂层性能的影响进行了归纳,对近年来主要研究现状进行了综述。提出了开发更安全环保具有多峰结构的喷涂粉末,进一步优化超音速火焰喷涂工艺,超音速火焰喷涂技术与其他涂层热处理技术相结合等未来发展措施。

两阶段悬浮液超音速火焰喷涂多相流模拟研究

为研究两阶段悬浮液超音速火焰喷涂过程中的流场分布以及液滴/颗粒行为,采用三维Euler-Lagrange耦合建模方法,模拟悬浮液在流场中破碎雾化、运动换热、蒸发扩散并最终被基板捕捉的过程。悬浮液物性由基于实验的拟合函数编译,并考虑了液滴形状变化的影响。结果表明:通过调节氮气质量流量,可以在不影响焰流速度的前提下,调节焰流温度,以满足不同温敏材料涂层制备的工艺要求。通过调节悬浮液的体积流量,可以使悬浮液到达焰流中心被充分加热加速。适当减小悬浮液的体积流量有助于提高颗粒被基板捕捉时的温度与速度,适当提高或降低悬浮液的颗粒浓度可以在不影响颗粒被基板捕捉时速度的前提下,提高单位时间内的颗粒输出量或降低颗粒粒径,可以根据不同的工艺要求进行相应的调整。

超音速火焰喷涂制备铝基复合制动盘工艺及力学性能研究

基于超音速火焰喷涂(High Velocity Oxygen Fuel,HVOF)技术,在7075高强铝合金表面制备出碳化钨(WC)颗粒来增强镍基合金的耐磨层,分别利用光学显微镜、扫描电镜对喷涂层及界面过渡区(Interface Transition Zone,ITZ)微观组织进行表征,技术制造分别使用显微硬度仪和万能试验机对喷涂层的显微硬度和抗剪强度进行测试,探求铝基复合制动盘超音速火焰喷涂工艺。结果表明,超音速火焰喷涂制备铝基复合制动盘的工艺参数为铝基合金表面WC颗粒含量为35%,氧油比约为3∶1,送粉量为80 g/min,喷涂距离为330 mm,入射速度为450 m/s,制动盘转速为7 r/min,氮气流量为10 L/min;铝基复合制动盘喷涂层微观组织为奥氏体基体上弥散分布着大量WC颗粒,致密度高达94%;喷涂层显微硬度约为1500HV,剪切强度约为147.3 MPa,满足制动盘力学性能要求。

Ti55531钛合金超音速火焰喷涂WC-10Co4Cr和WC-17Co工艺对比研究

采用HVOF技术在Ti55531钛合金基体上制备WC-10Co4Cr和WC-17Co涂层。利用SEM分析试样微观形貌,采用光学分析软件计算涂层孔隙率,使用显微硬度计、常温持久强度试验机测试涂层显微硬度、结合强度,并对试样进行了中性盐雾腐蚀试验,对比分析其耐蚀性。结果表明:在Ti55531钛合金基体上制备的WC-10Co4Cr, WC-17Co涂层微观组织致密,孔隙率分别为0.57%,0.43%;结合强度分别为76.8,80.4 MPa;显微硬度分别为HV_(0.3)1 206.4,HV_(0.3)1 005.6,均明显高于Ti55531基体的HV_(0.3)394.2;WC-10Co4Cr和WC-17Co涂层均能有效地提高基体的耐蚀性能,其中WC-10Co4Cr涂层耐蚀性能更优。2种涂层性能指标均满足规范要求。

超音速火焰喷涂制备铝基复合制动盘结构优化设计及分析

铝基复合制动盘具有高比强度、良好的导热性、耐磨性及耐蚀性等优点,是轨道交通车辆制动部件的首选。本工作首次提出以7075铝合金(T6)为制动盘基体材料,采用超音速火焰喷涂(High velocity oxygen fuel, HVOF)在其表面制备含WC颗粒增强镍基合金涂层,从而制备出铝基复合制动盘。本工作在基体上设计不同数量、孔径、深度、分布的盲孔,以缓解由于基体与涂层之间热物理性质差异出现的应力,采用有限元软件COMSOL研究盲孔的数量、尺寸、深度及分布对制动盘服役过程中应力分布的影响规律,进而优化制动盘结构设计。模拟结果表明,基体上设计的盲孔一定程度上能够降低制动盘摩擦制动时界面过渡区(ITZ)的热应力;随着盲孔数量增多、孔径和深度增大,等效应力降低;盲孔位置越靠近制动盘内外径边缘,等效应力越小,最小值为87.07 MPa;与孔径、深度相比,盲孔数量对缓解铝基复合制动盘等效应力的效果更为明显。

超音速火焰喷涂WC-CrC-9Ni硬质合金涂层微观组织及摩擦磨损性能研究

WC-CrC-9Ni硬质合金复合涂层具有抗磨损、抗腐蚀等优点。文章采用超音速火焰喷涂工艺在304不锈钢基材表面制备了WC-CrC-9Ni涂层,并研究了涂层的摩擦磨损性能及机制。研究结果表明:304不锈钢基材摩擦系数在0.35~0.70之间变化,磨痕轮廓深度约为85~100μm,平均磨损量约为3.5×10^(-5)mm^(3)/N·m;WC-CrC-9Ni涂层的摩擦系数相对平稳一些,在0.3上下波动,其磨痕轮廓深度为7~12μm,平均磨损量约为0.19×10^(-5)mm^(3)/N·m,各项参数均明显优于304不锈钢基材,因而该型涂层可大幅提升304不锈钢基材的耐磨损性能。

钛合金表面超音速火焰喷涂NiCr-Cr_(3)C_(2)涂层的组织结构与摩擦学性能

航空维修中,为进一步提高钛合金零件表面性能,采用超音速火焰喷涂技术在TC2钛合金基体上制备Ni Cr-Cr_(3)C_(2)涂层。采用金相显微镜、X射线分析仪分析涂层的厚度、孔隙率、氧化率、相结构,测试涂层的显微硬度、结合强度等性能;采用摩擦磨损试验机探究涂层的摩擦学性能,表征涂层磨损区域的磨痕形貌。结果表明:NiCrCr_(3)C_(2)涂层主要由NiCr相、Cr_(3)C_(2)相,以及少量的Cr_(7)C_(3)相组成,涂层孔隙率、氧化率低且对钛合金基体无显著影响;涂层平均显微硬度为963 HV0.3,结合强度大于84 MPa;在200 r/min 15 N、400 r/min 15 N、200 r/min 30 N的摩擦条件下,磨损机制以黏着磨损为主,但是随着摩擦载荷及摩擦速率的增加,在400 r/min 30 N的摩擦条件下,涂层裂纹破坏加重,碳化物硬质颗粒剥落,磨损机制转变为以磨粒磨损为主。

超音速火焰喷涂钴/碳化钨涂层替代爆炸喷涂工艺分析与验证

本文通过分析超音速火焰喷涂与爆炸喷涂的不同特点,确定了采用超音速火焰喷涂替代爆炸喷涂的工艺方案。由于目前国内外不同厂家生产的钴/碳化钨(Co/WC)材料存在喷涂性能参差不齐的现状,需要开展工艺试验确定可用粉末材料。通过试验验证,超音速火焰喷涂工艺制备的钴/碳化钨涂层性能与爆炸喷涂钴/碳化钨涂层的性能指标相当,能够满足零件使用要求,并且超音速火焰喷涂效率更高、环境影响较小,因此具有更好的应用前景和推广价值。

低温超音速火焰喷涂WC-10Co4Cr涂层的显微结构和性能

以超细(5～15μm)WC-10Co4Cr粉末为热喷涂粉末,采用低温超音速火焰喷涂(LT-HVOF)技术制备了WC-10Co4Cr涂层,采用SEM,XRD,3D表面轮廓仪和显微硬度仪对LT-HVOF WC涂层的显微结构和性能进行了表征,并将其与HVOF WC-10Co4Cr涂层进行了对比.结果表明:LT-HVOF制备的WC-10Co4Cr涂层的显微结构和显微硬度与HVOF制备的WC-10Co4Cr涂层的相当,其表面粗糙度为1.22μm,远低于HVOF涂层(3.18μm),但其断裂韧度约为HVOF涂层的1/2.基体表面的激冷粒子分析表明,LT-HVOF WC-10Co4Cr涂层较低的断裂韧度与粒子在低温焰流中未熔化,并未充分铺展有关.