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激光重熔等离子喷涂纳米氧化锆热障涂层组织与性能研究

作　者: 郝云飞
导　师: 陈辉
学　校: 西南交通大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 等离子喷涂纳米氧化锆热障涂层激光重熔组织性能
分类号: TG174.442
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

随着现代航空航天工业的发展,常规热障涂层已经不能满足高温热端部件日益提高的性能要求。因此研究工作者开始将纳米技术、激光重熔表面处理技术与等离子喷涂技术结合起来,期望获得具有更好性能的热障涂层。本文采用大气等离子喷涂纳米氧化锆（ZrO₂-8%Y₂O₃）团聚粉末制备了纳米氧化锆热障涂层,并利用连续CO₂激光对其进行重熔处理。以常规热障涂层作为比较对象,系统地研究了纳米氧化锆热障涂层和激光重熔涂层的组织结构、物相组成和性能特点（抗热冲击性能、耐摩擦磨损性能、高温稳定性能）。纳米氧化锆热障涂层组织结构及其性能试验结果分析表明:纳米氧化锆热障涂层展现出独特的纳米-微米复合结构,主要由柱状晶和未熔融或部分熔融纳米颗粒组成。非平衡四方相是纳米氧化锆热障涂层的主要物相,涂层不含有单斜相。和常规热障涂层相比,纳米氧化锆热障涂层拥有更好的抗热冲击性能。这主要得益于其相对致密的结构以及微裂纹、纳米晶粒、小孔径孔隙的应力缓释作用。纳米氧化锆热障涂层高温稳定性能性能试验结果表明,涂层晶粒度随着服役温度和服役时间的增加而增加,但是仍保持纳米结构;涂层物相组成不随服役环境的变化而变化。因此纳米氧化锆热障涂层拥有很好的高温稳定性能。纳米结构涂层的耐高温摩擦磨损性能优于常规热障涂层。激光重熔试验结果显示,随着激光重熔工艺参数的变化,重熔涂层很容易产生“凹坑”、“涂层剥落”、“气孔”等缺陷。但是通过优化激光重熔工艺参数是可以获得质量良好、无缺陷的激光重熔涂层。随着激光比能量的逐渐增加,涂层组织结构由单一的柱状晶逐渐变为柱状晶和等轴晶的复合结构。激光重熔涂层的X射线衍射结果证实了重熔涂层的组织分析结果。激光重熔表面处理可以显著提高热障涂层的抗热冲击性能,表面等轴晶对外界腐蚀介质的封闭作用、断面柱状晶和表面网状微裂纹的热应力缓释机制,是拥有复合结构的重熔涂层展现出最优抗热冲击性能的主要原因。通过以上试验分析可以得出,将纳米技术和激光重熔表面处理技术与等离子喷涂技术结合起来制备热障涂层是提高热障涂层性能的非常有前景的工艺方法。

全文目录

摘要  6-7
Abstract  7-12
第1章绪论  12-25
  1.1 课题研究背景  12-13
  1.2 氧化锆热障涂层研究进展  13-18
    1.2.1 热障涂层材料体系  13-15
    1.2.2 纳米氧化锆的优越性及其应用  15
    1.2.3 等离子喷涂纳米氧化锆热障涂层研究现状  15-17
    1.2.4 等离子喷涂纳米氧化锆热障涂层存在的问题  17-18
  1.3 激光重熔氧化锆热障涂层的提出及其研究现状  18-23
    1.3.1 激光重熔氧化锆热障涂层的提出  18-19
    1.3.2 激光重熔技术原理及其特点  19-21
    1.3.3 激光重熔氧化锆热障涂层国内外研究现状  21-23
  1.4 本论文的研究意义、研究内容和创新性  23-25
    1.4.1 本论文的研究意义  23
    1.4.2 本论文的研究内容  23-24
    1.4.3 本论文的创新性  24-25
第2章试验材料、方法及设备  25-33
  2.1 试验材料  25
  2.2 等离子喷涂设备及工艺  25-27
    2.2.1 等离子喷涂设备  25-27
    2.2.2 等离子喷涂工艺  27
  2.3 激光重熔设备及工艺  27-30
    2.3.1 激光重熔设备  27-28
    2.3.2 激光重熔试验方案  28-29
    2.3.3 激光重熔工艺参数  29-30
  2.4 热障涂层组织与性能表征试验  30-33
    2.4.1 热障涂层微观组织结构分析  30-31
    2.4.2 热障涂层物相组成分析和晶粒度计算  31
    2.4.3 热障涂层硬度表征  31
    2.4.4 热障涂层抗热冲击性能试验  31-32
    2.4.5 热障涂层高温稳定性能试验  32
    2.4.6 热障涂层耐摩擦磨损性能试验  32-33
第3章纳米氧化锆热障涂层组织与性能分析  33-59
  3.1 纳米氧化锆热障涂层制备工艺参数优化  33-35
  3.2 纳米氧化锆热障涂层组织结构分析  35-40
    3.2.1 纳米氧化锆团聚粉末和常规氧化锆粉末形貌  35-36
    3.2.2 纳米氧化锆热障涂层的表面形貌分析  36-38
    3.2.3 纳米氧化锆热障涂层横截面形貌分析  38-39
    3.2.4 总结与分析  39-40
  3.3 纳米氧化锆团聚粉末及其涂层物相分析和晶粒度计算  40-44
    3.3.1 X射线衍射物相分析  40-42
    3.3.2 晶粒度计算  42-44
  3.4 纳米氧化锆热障涂层抗热冲击性能分析  44-50
    3.4.1 涂层的组织结构对抗热冲击性能的影响  45-46
    3.4.2 涂层物相组成对抗热冲击性能的影响  46-47
    3.4.3 涂层晶粒度对抗热冲击性能的影响  47-48
    3.4.4 热膨胀系数不匹配对抗热冲击性能的影响  48
    3.4.5 两种涂层抗热冲击性能差异分析总结  48-49
    3.4.6 纳米氧化锆热障涂层抗热冲击失效形式分析  49-50
  3.5 纳米氧化锆热障涂层高温稳定性能  50-54
    3.5.1 涂层物相稳定性  51-52
    3.5.2 涂层晶粒度变化趋势  52-54
  3.6 纳米氧化锆热障涂层与常规涂层耐磨损性能试验分析  54-57
    3.6.1 涂层磨损试验结果对比  54-56
    3.6.2 涂层磨损性能分析  56-57
  3.7 本章小结  57-59
第4章激光重熔纳米氧化锆热障涂层组织与性能分析  59-84
  4.1 激光重熔工艺参数优化及表面成型分析  59-65
    4.1.1 激光重熔工艺试验  59-60
    4.1.2 激光重熔工艺参数优化及表面成型分析  60-64
    4.1.3 工艺参数对单道扫描轮廓形貌的影响  64-65
    4.1.4 激光重熔处理工艺优化结论  65
  4.2 纳米氧化锆热障涂层激光重熔处理组织结构分析  65-72
    4.2.1 激光重熔涂层表面形貌分析  66-68
    4.2.2 激光重熔涂层断面形貌分析  68-70
    4.2.3 激光重熔涂层横截面形貌分析  70-72
    4.2.4 激光重熔处理涂层组织形貌分析小结  72
  4.3 激光重熔纳米氧化锆热障涂层物相分析  72-75
    4.3.1 涂层物相组成分析  72-74
    4.3.2 纳米氧化锆热障涂层激光重熔前后物相比较  74-75
  4.4 激光重熔纳米氧化锆热障涂层抗热冲击性能分析  75-79
    4.4.1 激光重熔工艺参数对重熔涂层抗热冲击性能的影响  76-77
    4.4.2 重熔涂层失效前后 X射线衍射分析  77-78
    4.4.3 激光重熔涂层失效形式和失效机理分析  78-79
  4.5 激光重熔纳米氧化锆热障涂层耐磨损性能分析  79-82
    4.5.1 激光重熔涂层磨损试验结果  79-82
    4.5.2 激光重熔涂层耐磨损性能分析  82
  4.6 本章小结  82-84
第5章常规热障涂层、纳米结构涂层、激光重熔涂层综合性能比较  84-89
  5.1 三种涂层硬度对比  84-85
  5.2 三种涂层抗热冲击性能对比  85-86
  5.3 三种涂层常温和高温摩擦磨损性能对比  86-88
  5.4 三种涂层综合性能对比  88-89
结论与展望  89-91
致谢  91-92
参考文献  92-97
攻读硕士期间发表论文  97

激光重熔等离子喷涂纳米氧化锆热障涂层组织与性能研究

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