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纳米氧化锆热障涂层的等离子喷涂制备及性能研究

作　者: 徐鹏
导　师: 宋仁国；郑晓华
学　校: 浙江工业大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 纳米氧化锆 316L不锈钢高温氧化陶瓷热障涂层等离子喷涂
分类号: TG174.442
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

烤管机是荧光灯管生产线中的重要设备，其主要部件（钢管）的材料为316L不锈钢。由于其工作在1000℃左右的高温环境且承受热循环载荷，因此很容易发生高温氧化和热疲劳失效，导致停产及设备报废。此外，烤管机所用热源为天然气，由于不锈钢自身的热导率比较高，因此散热比较快。如果不锈钢管表面没有热障涂层，将消耗更多的天然气，从而浪费能源、排放更多的温室气体。所以，迫切需要解决该设备关键部件的表面防护问题。本文拟通过等离子喷涂技术在316L不锈钢表面制备纳米氧化锆热障涂层，有望显著提高不锈钢管的性能和使用寿命。本文将纳米材料及等离子喷涂技术相结合，在316L不锈钢表面制备出纳米氧化锆热障涂层，经过研究发现，等离子喷涂功率和喂料的组成对涂层的组织和性能均有重要影响。通过正交试验，优化了喷涂的工艺参数并成功运用于烤管机上，有效改善了烤管机的抗热震性能，提高了烤管机的使用寿命。取得的主要成果如下：1.采用大气等离子喷涂技术，成功制备出了纳米氧化锆（8YSZ）热障涂层。纳米氧化锆陶瓷涂层主要由四方相(t-ZrO2)构成。2.等离子喷涂制备的纳米氧化锆陶瓷热障涂层，与微米氧化锆陶瓷热障涂层相比，其表面更加致密、平整，孔隙及微裂纹更为细小。涂层主要由熔融区和部分熔融区组成，前者来源于喷涂粉末颗粒表面的熔化部分；后者来源于喷涂粉末颗粒熔化部分和未熔化部分的混合。3.等离子喷涂工艺参数和Y2O3的含量对纳米氧化锆热障涂层的性能有重要影响。经过正交试验，在喷涂功为40KW，喷涂距离为75mm，主气流量为34L/min，预热温度为200℃时喷涂制备的热障涂层抗热震性能最佳。4.本文将最佳的316L不锈钢表面等离子喷涂氧化锆热障涂层的技术成功地应用到烤管机上，使烤管机的使用寿命明显增长。为了实现工业化生产，还需要不断地研究实践与创新等离子喷涂系统。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第1章绪论  11-28
  1.1 不锈钢表面强化技术  11-14
    1.1.1 不锈钢分类  11-12
    1.1.2 不锈钢表面强化技术现状  12-14
  1.2 纳米材料与纳米表面工程  14-16
    1.2.1 纳米材料简介  14-15
    1.2.2 表面工程技术简介  15-16
    1.2.3 纳米表面工程技术简介  16
  1.3 热喷涂与等离子喷涂技术  16-21
    1.3.1 热喷涂技术  16-18
    1.3.2 等离子喷涂技术  18-19
    1.3.3 等离子喷涂的工艺参数  19-21
  1.4 热障涂层的研究进展  21-26
    1.4.1 热障涂层简介  21-22
    1.4.2 热障涂层结构  22-23
    1.4.3 热障涂层材料  23-25
    1.4.4 热障涂层制备方法  25-26
    1.4.5 热障涂层失效形式与机理分析  26
  1.5 选题意义和主要研究内容  26-28
第2章试验材料及方法  28-36
  2.1 试验材料和设备  28-30
    2.1.1 基体材料  28
    2.1.2 涂层材料  28-30
    2.1.3 喷涂设备  30
  2.2 喷涂前的预处理  30-31
    2.2.1 基体预处理  30-31
    2.2.2 粉末预处理  31
  2.3 喷涂制备热障涂层  31-32
    2.3.1 喷涂制备粘结层  31-32
    2.3.2 喷涂制备陶瓷层  32
  2.4 热障涂层的组织结构及形貌分析  32
    2.4.1 X 射线衍射物相分析(XRD  32
    2.4.2 扫描电子显微镜观察(SEM  32
  2.5 热障涂层的性能研究  32-35
    2.5.1 涂层的显微硬度测试  32-33
    2.5.2 涂层的结合力测试  33
    2.5.3 涂层的摩擦磨损试验  33-34
    2.5.4 涂层的高温抗氧化试验  34
    2.5.5 涂层的抗热震试验  34-35
  2.6 本章小结  35-36
第3章喷涂工艺优化及涂层样品制备  36-40
  3.1 等离子喷涂工艺优化  36-38
    3.1.1 正交试验设计  36-37
    3.1.2 试验结果讨论  37-38
  3.2 纳米氧化锆热障涂层样品的制备  38-39
    3.2.1 Ni/Al 粘结层的制备  38
    3.2.2 8YSZ 陶瓷层的制备  38-39
  3.3 本章小结  39-40
第4章纳米氧化锆热障涂层的组织结构及形貌分析  40-49
  4.1 8YSZ 喂料的组织结构及形貌分析  40-41
    4.1.1 8YSZ 喂料的组织结构  40-41
    4.1.2 8YSZ 喂料的形貌  41
  4.2 Ni/Al 粘结层的组织结构及形貌分析  41-43
    4.2.1 Ni/Al 粘结层的组织结构  41-42
    4.2.2 Ni/Al 粘结层的形貌  42-43
  4.3 8YSZ 陶瓷层的组织结构及形貌分析  43-46
    4.3.1 8YSZ 陶瓷层的组织结构  43
    4.3.2 8YSZ 陶瓷层的形貌  43-46
  4.4 纳米8YSZ 热障涂层形成机理  46-47
  4.5 本章小结  47-49
第5章纳米氧化锆热障涂层的性能分析  49-64
  5.1 热障涂层的显微硬度  49-51
  5.2 热障涂层的结合强度  51-54
    5.2.1 纳米及微米热障涂层的结合强度  52-53
    5.2.2 喷涂功率对涂层结合强度的影响  53-54
    5.2.3 Y_2O_3 含量对涂层结合强度的影响  54
  5.3 热障涂层的摩擦磨损性能  54-57
  5.4 热障涂层的抗高温氧化性能  57-59
  5.5 热障涂层的抗热震性能  59-62
    5.5.1 纳米及微米热障涂层的抗热震性能  59-61
    5.5.2 喷涂功率对涂层抗热震性能的影响  61-62
    5.5.3 Y_2O_3 含量对涂层抗热震性能的影响  62
  5.6 本章小结  62-64
第6章纳米氧化锆热障涂层在烤管机上的应用  64-66
第7章结论与展望  66-68
  7.1 结论  66
  7.2 展望  66-68
参考文献  68-72
致谢  72-73
攻读学位期间参加的科研项目和成果  73

纳米氧化锆热障涂层的等离子喷涂制备及性能研究

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