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结晶器铬锆铜板表面等离子喷涂镍铬—碳化铬涂层的研究

作　者: 刘雪飘
导　师: 陈健
学　校: 江苏科技大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 等离子喷涂 CuCrZr合金正交试验结合强度 Cr3C2-NiCr涂层真空扩散热处理热震试验
分类号: TG174.442
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

采用等离子喷涂方法在结晶器CuCrZr合金表面制备了Cr₃C₂-NiCr涂层、NiAl涂层和NiAl/Cr₃C₂-NiCr复合涂层。首先,以涂层与基体的结合强度为指标,采用正交试验法对等离子喷涂工艺参数进行了优化,然后依据优化得出的工艺参数制备Cr₃C₂-NiCr涂层和NiAl/Cr₃C₂-NiCr复合涂层。对所制备的涂层进行热震试验,研究了涂层的热震性能;测试了Cr₃C₂-NiCr涂层和NiAl涂层的硬度,并用统计学方法分析了其分布规律;利用SEM、EDS和XRD等分析测试手段,研究了断口形貌和涂层的组织结构。根据上述研究,得到了喷涂距离、主气流量、送粉速率、功率这四个主要工艺参数对等离子喷涂Cr₃C₂-NiCr涂层、NiAl涂层及NiAl/Cr₃C₂-NiCr复合涂层性能的影响规律。最后,对Cr₃C₂-NiCr涂层进行了真空扩散热处理,研究该工艺改善涂层结合强度的可行性。研究结果表明,在本课题选定的工艺参数范围内:对于Cr₃C₂-NiCr涂层,工艺因素对结合强度影响的主次关系为功率>送粉速率>喷涂距离>主气流量,用优化后的工艺参数制备的涂层,结合强度达60.82MPa。对于NiAl涂层,工艺因素对结合强度影响的主次关系为功率>送粉速率>喷涂距离>主气流量,参数优化后涂层的结合强度达48.99MPa。对于NiAl/Cr₃C₂-NiCr复合涂层中的工作层,工艺因素对结合强度影响的主次关系为功率>主气流量>喷涂距离>送粉速率;参数优化后,复合涂层的结合强度为50.60MPa。Cr₃C₂-NiCr涂层和NiAl/Cr₃C₂-NiCr复合涂层的热震性能均比较好,达到了较高的宏观启裂次数和失效次数,热疲劳寿命较高。其中NiAl/Cr₃C₂-NiCr复合涂层的热震性能更优,相同条件下,宏观启裂次数及失效次数均高于Cr₃C₂-NiCr涂层。涂层热震失效是由于涂层与基体之间存在较大的热膨胀系数差异,界面处存在较大的热失配应力,从而在应力集中的试样尖角处引发裂纹并扩展,最终导致涂层自界面剥离、脱落。此外,热震过程中的界面氧化也促进了涂层热震失效。涂层失效主要有涂层沿与基体的结合界面启裂、扩展而整体剥落和小块脱落两种方式,且失效方式与温度有关。制备的涂层孔隙率较低,结合良好。喷涂NiAl涂层时,Ni-Al间发生放热反应,形成Al₄Ni₃,Al₃Ni₂,AlNi₃等金属间化合物,剩余的Al与基体中的Cu相互作用,生成Cu₃Al₂、CuAl₂、CuAl等相,因而局部区域存在微冶金结合,但仍以机械锚合为主。无论是Cr₃C₂-NiCr涂层还是NiAl涂层,在平行于基体和垂直于基体的方向上,涂层的显微硬度都存在较大的分散性,但平行于基体的方向上,两者均显著地服从正态分布和Weibull分布。通过真空扩散+固溶处理的复合工艺及随后的真空时效处理,不仅基体的电导率和硬度等性能可完全恢复,满足结晶器对CuCrZr合金板材性能的要求,且能显著提高涂层与基体的结合强度,与未经处理的相比,结合强度提高了4.43倍。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-15
第1章绪论  15-24
  1.1 引言  15
  1.2 连铸结晶器  15-17
    1.2.1 结晶器铜板  15-16
    1.2.2 结晶器铜板的性能要求  16
    1.2.3 结晶器铜板的发展  16-17
  1.3 表面改性的必要性  17
  1.4 结晶器铜板表面改性  17-19
    1.4.1 电镀  17-18
    1.4.2 热喷涂  18-19
  1.5 结晶器铜板表面热喷涂的发展现状  19-22
    1.5.1 超音速火焰喷涂  19-21
    1.5.2 等离子喷涂  21-22
  1.6 本课题研究的意义及内容  22-24
    1.6.1 课题研究的意义  22-23
    1.6.2 课题研究的内容  23-24
第2章试验材料、设备及方法  24-33
  2.1 试验材料  24-25
    2.1.1 基体材料  24
    2.1.2 喷涂粉末  24-25
  2.2 试验设备及仪器  25-26
    2.2.1 3710 型等离子喷涂系统  25-26
    2.2.2 其他仪器和设备  26
  2.3 等离子喷涂工艺流程及参数  26-28
    2.3.1 等离子喷涂工艺流程  26-27
    2.3.2 工艺参数的选择  27-28
  2.4 正交试验  28-29
  2.5 涂层与基体结合强度试验  29-30
  2.6 金相试样的制备和组织分析  30-31
  2.7 涂层的显微硬度  31-32
  2.8 真空扩散热处理  32
  2.9 X 射线衍射物相分析  32-33
第3章等离子喷涂工艺参数正交试验结果及分析  33-48
  3.1 引言  33
  3.2 Cr_3C_2-NiCr 涂层正交试验  33-39
    3.2.1 Cr_3C_2-NiCr 涂层正交试验参数设计  33-34
    3.2.2 Cr_3C_2-NiCr 涂层正交试验结果及分析  34-37
    3.2.3 Cr_3C_2-NiCr 涂层正交试验因素主次分析  37-38
    3.2.4 Cr_3C_2-NiCr 涂层工艺参数优化  38-39
  3.3 NiAl 涂层正交试验  39-43
    3.3.1 NiAl 涂层正交试验  39
    3.3.2 NiAl 涂层正交试验结果及分析  39-42
    3.3.3 NiAl 涂层正交试验因素主次分析  42
    3.3.4 NiAl 涂层工艺参数优化  42-43
  3.4 NiAl/Cr_3C_2-NiCr 复合涂层正交试验  43-47
    3.4.1 NiAl/Cr_3C_2-NiCr 复合涂层正交试验  43
    3.4.2 NiAl/Cr_3C_2-NiCr 复合涂层正交试验结果及分析  43-45
    3.4.3 因素主次分析  45
    3.4.4 工艺参数优化  45-46
    3.4.5 NiAl/Cr_3C_2-NiCr 复合涂层验证试验  46-47
  3.5 本章小结  47-48
第4章涂层抗热震性能和硬度分布规律分析  48-61
  4.1 引言  48
  4.2 金属陶瓷涂层抗热震性能判断的理论及依据  48-50
  4.3 试验过程  50
  4.4 涂层热震试验结果  50-51
  4.5 涂层热震试验结果分析  51-55
  4.6 等离子喷涂层的显微硬度  55
  4.7 统计分析原理  55-60
    4.7.1 正态分布  55-56
    4.7.2 Weibull 分布  56
    4.7.3 Cr_3C_2-NiCr 涂层显微硬度分布规律分析  56-59
    4.7.4 NiAl 涂层显微硬度分布规律分析  59-60
  4.8 本章小结  60-61
第5章涂层微观组织结构分析  61-73
  5.1 引言  61
  5.2 Cr_3C_2-NiCr 涂层和界面微观组织结构  61-64
  5.3 NiAl 涂层和界面微观组织结构  64-68
  5.4 NiAl/Cr_3C_2-NiCr 复合涂层和界面微观组织结构  68-70
  5.5 结合方式对涂层与基体结合强度的影响  70-72
  5.6 本章小结  72-73
第6章真空扩散热处理  73-80
  6.1 引言  73
  6.2 热处理对涂层结合强度的影响  73-74
  6.3 热处理对涂层组织和结构的影响  74-76
  6.4 铜基体性能  76-78
    6.4.1 CuCrZr 合金基体导电率  77-78
    6.4.2 CuCrZr 合金基体的硬度  78
  6.5 存在的问题  78-79
  6.6 本章小结  79-80
结论  80-81
参考文献  81-89
攻读硕士期间发表的学术论文  89-90
致谢  90-91
大摘要  91-96

结晶器铬锆铜板表面等离子喷涂镍铬—碳化铬涂层的研究

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