【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 對(duì)材料表面進(jìn)行強(qiáng)化和修復(fù)。同時(shí)，還可以賦予材料表面特殊的性能，因此等離子噴涂技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。等離子噴涂是一種高能加工工藝，既可用于零件表面強(qiáng)化，又可近凈成形直接制造零件。等離子噴涂因具有快速、連續(xù)、價(jià)廉等優(yōu)點(diǎn)而廣泛地應(yīng)用于航空、航天、機(jī)械、國(guó)防、電力等領(lǐng) 域。 畢業(yè) (設(shè)計(jì) )論文 第 10 頁 10 3. 等離子噴涂制備 SOFC 連接體材料保護(hù)涂層 前言 筆者 首先 制備出 LSM粉體作為噴涂材料 ， SUS430進(jìn)行基體表面清潔，除油除銹 ， 然后 采用九江等離子噴涂廠生產(chǎn)的 GP80型高能等離子噴涂設(shè)備先噴涂NiCr20粘結(jié)底層，然后噴涂 LSM保護(hù)薄膜。 最后，通過 SEM、 X射線衍射、 二 支點(diǎn)法 電導(dǎo)率測(cè)試儀 等測(cè)定薄膜 表面形貌 、電導(dǎo)率和相成分等。 實(shí)驗(yàn)原料及儀器 實(shí)驗(yàn)材料 實(shí)驗(yàn)儀器 檢測(cè)儀器 PVA 磁力攪拌器 X 射線衍射儀 去離子水 高溫 電爐 電導(dǎo)率測(cè)試儀 LSM 粉末 GP80 型高能等離子噴涂設(shè)備 掃描電鏡 SUS430 鐵素體不銹鋼 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 LSM 粉體的制備 將一定質(zhì)量的 PVA以質(zhì)量比為 100： 5溶解在去離子水中， 在磁攪拌下不斷加熱，靜置直到溶液形成透明液。 將 LSM粉末與上述 5％的聚乙烯醇水溶液按質(zhì)量比 7％充分混合，過篩，放入1500C的烘箱內(nèi)保溫 3小時(shí)。造粒后的粉末并沒有很好的流動(dòng)性。為了增加粉末的流動(dòng)性，重新考慮 LSM粉末和聚乙烯醇水溶液的配比進(jìn)行造粒，直到粉末表現(xiàn)出很好的流動(dòng)性，實(shí)驗(yàn)得出兩者的最佳配比為 ％。 圖 LSM粉末和造粒后的 LSM粉末。 畢業(yè) (設(shè)計(jì) )論文 第 11 頁 11 造粒前的 LSM 粉末 造粒后的 LSM 粉末 基體的準(zhǔn)備 基體材料 連接板材料為 SUS430鐵素體不銹鋼，其成分見表 。試樣大小為：5cm*5cm*。 表面處理 噴涂前對(duì)基體表面進(jìn)行噴砂處理，以增加其表面粗糙度、提高基體的活性和預(yù)先在基體上形成壓應(yīng)力、提高薄膜與基體的結(jié)合力。噴砂后用丙酮清洗。 粘結(jié)層與 LSM 薄膜制備 噴涂 NiCr20粘結(jié)底層，厚度約為 ，以 增加基體與薄膜的結(jié)合強(qiáng)度。噴涂前對(duì)基體先預(yù)熱，預(yù)熱溫度為 2500C－ 3000C。粘結(jié)層與 LSM薄膜的噴涂工藝參數(shù)見表 。 元素 Fe Cr Mn Si Ni Al C P S 含量（重量 %） 表 SUS430 的化學(xué)成分 畢業(yè) (設(shè)計(jì) )論文 第 12 頁 12 表 空氣等離子噴涂粘結(jié)層與 LSM 的工藝參數(shù) 材料 功率(KW) 噴涂距離（ mm） 送粉量（ g/min） 噴涂氣體 行走速度（ mm/s） Ar N2 H2 NiCr20 32 130 50 ﹤ 5% 400 LSM 38 100 40 ﹤ 5% 400 結(jié)果與討論 圖 分別是 SOFC 連接板被噴涂 LSM 保護(hù)性材料前后 噴涂前 噴涂后 通過帶有能量彌散 X射線探測(cè)器的電子掃描電鏡觀測(cè)薄膜的表面形貌和組織結(jié)構(gòu)特征； LSM 成分分析 等離子射流中心區(qū)溫度高達(dá) 202000C左右。粉末進(jìn)入等離子體以后，將進(jìn)行復(fù)雜的熱傳遞過程，粉末被加熱到熔融或半熔融的狀態(tài)，然后在等離子射流的作用下，高速撞擊基體，與基體發(fā)生物理，機(jī)械或冶金結(jié)合。在如此高的溫度下，有的粉末會(huì)發(fā)生成分燒蝕。本文將原始粉末與噴涂薄膜的成份進(jìn)行了 XRD對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)噴涂前后粉末的衍射峰的強(qiáng)度、寬度和位置均沒有 發(fā)生變化。元素分布均勻，不含有其它的雜質(zhì)元素。結(jié)果證明了等離子噴涂 LSM薄膜沒有引起 LSM的相和化學(xué)成份的變化，該方法能夠用于 SUS430金屬合金上噴涂 LSM保護(hù)膜。 畢業(yè) (設(shè)計(jì) )論文 第 13 頁 13 薄膜表面、組織形貌 圖 (a) 圖 (b) 圖 (a)為 LSM薄膜的表面形貌，圖 (b)為 LSM薄膜的截面組織形貌圖。從圖中可以看出薄膜中存在均勻分散的非聯(lián)通細(xì)孔，由圖像分析法計(jì)算得該薄膜的孔隙率為 3％。采用等離子噴涂法制備的 LSM保護(hù)膜與粘結(jié)層、粘結(jié)層與基體結(jié) 合良好。在圖中沒有發(fā)現(xiàn)等離子噴涂典型的“疊片層”結(jié)構(gòu)，這可能因?yàn)楫?dāng)陶瓷噴涂到基體上迅速冷卻而不能完全展開有關(guān)。從圖中可以看出薄膜呈“絮狀”結(jié)構(gòu)。 等離子射流是一種快速流動(dòng)的高溫流體，當(dāng)?shù)腿埸c(diǎn)粉末材料被粉氣送入等離子射流中時(shí)，等離子射流會(huì)對(duì)粉末顆粒產(chǎn)生加熱、加速作用。粉末粒子經(jīng)過等離子射流加熱后處于完全熔化的狀態(tài)。粉末粒子經(jīng)過加熱、飛行階段，與基體或已堆積在基體上的涂層發(fā)生碰撞，攤展開形成典型的“片層”結(jié)構(gòu)。當(dāng)熔融粒子碰撞冷基體，粒子的碰撞和變形過程與粒子的凝固過程同時(shí)進(jìn)行著。結(jié)晶前沿由基體朝著熔融粒子方向運(yùn) 動(dòng)。已經(jīng)完全凝固的粒子受到尚未結(jié)晶粒子熔體方面的壓力的作用。在接觸處，壓力與高溫是物理化學(xué)相互作用的推動(dòng)力，這些推動(dòng)力導(dǎo)致粒子的牢固的結(jié)合和形成涂層。 而在噴涂 LSM 涂層時(shí)，由于其熔點(diǎn)較高（ 18800C），粒子發(fā)生部分熔化。在同基體碰撞時(shí)，粒子首先發(fā)生彈性變形，但是 LSM 的塑性相對(duì)較差，彈性變形比較小，而沒有鋪展形成圓盤狀。由元素分布圖發(fā)現(xiàn)，在 NiCr20 與基體的接觸面上含有氧元素。這主要是因?yàn)樵陬A(yù)熱的過程中，基體表面形成氧化物薄層導(dǎo)致。厚的氧化膜把相互作用的金屬分開，阻礙形成化合物，使涂層不能同基體形成冶金結(jié)合，降低薄膜同基體的結(jié)合強(qiáng)度。為了降低氧化膜的厚度，當(dāng)溫度提高時(shí)，噴涂需要在氧氣保護(hù)環(huán)境中進(jìn)行。 畢業(yè) (設(shè)計(jì) )論文 第 14 頁 14 電導(dǎo)率 連接板主要起著在相鄰的單電池之間傳遞電子和分隔相鄰電池的氧化氣氛與還原氣氛作用。為了降低內(nèi)阻，提高電池的功率密度，連接板必須在中溫下具有高的導(dǎo)電率。二支點(diǎn)法測(cè)量連接板電導(dǎo)率裝置結(jié)構(gòu)如圖 ,實(shí)驗(yàn)裝置見圖 。連接板在空氣中， 130－ 1800C條件下的電導(dǎo)率，見圖 。 從圖 ，當(dāng)溫度小于 3300C，有 LSM保護(hù)膜的連接板 的電導(dǎo)率小于無 LSM保護(hù)膜的連接板的電導(dǎo)率，這是因?yàn)?La 于 SUS430基體的電導(dǎo)率（ La SUS430室溫下的電導(dǎo)率分別是 cm1與 104Ω1 cm1）。當(dāng)溫度大于 3300C時(shí)，結(jié)果相反。有 LSM保護(hù)膜的連接板在空氣下， 130－ 1800C時(shí)，最大電導(dǎo)率可達(dá) cm1。無 LSM保護(hù)膜金屬連接板的電導(dǎo)率在 130－ 1800C范圍內(nèi)變化很小（下降了 5％左右），可能是因?yàn)樵诮饘龠B接板表面生成的低電導(dǎo)率的氧化物 Cr2O3而導(dǎo)致其電導(dǎo)率特性曲線呈現(xiàn)云母片 加熱容器 Pt 導(dǎo)線 圖 二支點(diǎn)法測(cè)量電導(dǎo)率示意圖 畢業(yè) (設(shè)計(jì) )論文 第 15 頁 15 下降趨勢(shì)。 小結(jié) 本章詳細(xì)敘述了 SUS430基體上等離子噴涂 LSM保護(hù)薄膜的工藝流程及工藝參數(shù)。最后采用 XRD, SEM分別 分析 了薄膜的成分 ，表面與截面形貌 。對(duì)比了噴涂前后 LSM粉體的成分與相結(jié)構(gòu)變化。二支點(diǎn)法測(cè)量了有與無 LSM保護(hù)膜時(shí)，金屬連接板的電導(dǎo)率。實(shí)驗(yàn)得出了較好的結(jié)果 ： 噴涂前后粉末的衍射峰的強(qiáng)度 、寬度和位置均沒有發(fā)生變化。元素分布均勻，不含 其它的雜質(zhì)元素 ， 證明了等離子噴涂 LSM薄膜沒有引起 LSM的相和化學(xué)成份的 變化，該方法能夠用于 SUS430金屬合金上噴涂 LSM保護(hù)膜。 采用等離子噴涂法制備的 LSM保護(hù)膜與粘結(jié)層、粘結(jié)層與基體結(jié)合良好。 圖 連接板電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系曲線 0 105 205 305 405 505 605 705 溫度 /℃ 電導(dǎo)率/Ω1 cm1 有 LSM 無 LSM 畢業(yè) (設(shè)計(jì) )論文 第 16 頁 16 4. 實(shí)驗(yàn)總結(jié)與展望 本文采用等離子噴涂工藝，制備了 La (LSM) 金屬連接板保護(hù)涂層，系統(tǒng)分析了噴涂工藝對(duì) LSM涂層 的性能 影響，探索了增強(qiáng)涂層與金屬基體結(jié)合性能的措施。測(cè)試了涂層的物理與電學(xué)性能，得出了以下一些創(chuàng)新成果 : (1)采用 GP80高能空氣等離子噴涂設(shè)備制備了 LSM金屬連接板保護(hù)涂層，分析了LSM材料的物理及摻雜性能。 XRD結(jié)果發(fā)現(xiàn)，噴涂前后 LSM的 成分與相結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生變化，證明了等離子噴涂法能夠用于制備 LSM涂層。為了提高納米 LSM粉末的流動(dòng)性，利用聚乙烯醇對(duì)其進(jìn)行造粒。 (2)為了提高 LSM薄膜同基體 SUS430鐵素體不銹鋼之間的結(jié)合強(qiáng)度，在噴涂 LSM之前，噴涂 NiCr20粘結(jié)底層。 SEM結(jié)果發(fā)現(xiàn)涂層與基體結(jié)合良好，沒有發(fā)現(xiàn)基體元素?cái)U(kuò)散進(jìn)入到涂層。研究了有與無 LSM保護(hù)膜的連接板材料在 100－ 8000C使空氣氣氛下的電導(dǎo)率，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度大于 330℃ 時(shí)，有保護(hù)膜的連接板的電導(dǎo)率大于沒有保護(hù)膜的連接板。當(dāng)溫度小于 330℃ 時(shí)，結(jié)果相反。對(duì)于有 LSM涂層的連 接板，其最打電導(dǎo)率為 cm1(約 400℃ 時(shí) )。 (3)使用梯度涂層，可以降低因薄膜與基體熱膨脹系數(shù)差異大而導(dǎo)致在涂層中產(chǎn)生大的熱應(yīng)力，從而提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。對(duì)比了噴涂后處理對(duì)薄膜結(jié)合強(qiáng)度的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，噴涂后將試樣放入烘箱里保溫一定時(shí)間后，其結(jié)合強(qiáng)度是直接放在空氣中冷卻時(shí)的兩倍，達(dá)到 。 等離子噴涂自二十世紀(jì)五十年代以來，技術(shù)進(jìn)步和生產(chǎn)應(yīng)用發(fā)展很快，自二十世紀(jì)六十年代等離子物理應(yīng)用于熱噴涂以來，等離子噴涂得到了飛速的發(fā)展，尤其是七十年代初期以后，其發(fā)展可以說是突飛猛 進(jìn)。從空氣等離子噴涂和水穩(wěn)等離子噴涂發(fā)展到真空等離子噴涂以及后來的超音速等離子噴涂和反應(yīng)等離子噴涂、微束等離子噴涂等。從噴涂的材料上來看，經(jīng)歷了噴涂純金屬粉末、合金粉末、陶瓷粉末和復(fù)合材料粉末的發(fā)展。等離子噴涂在傳統(tǒng)的耐磨、耐熱、抗氧化 /腐蝕方面已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用，近年來正試圖在生物、超導(dǎo)和復(fù)合材料等高科技領(lǐng)域發(fā)揮特長(zhǎng)，而且取得了一定的應(yīng)用。噴涂耐高溫陶瓷是目前發(fā)展的熱點(diǎn)，而復(fù)合材料和金屬間化合物的噴涂也有增大的趨勢(shì)。在一系列的技術(shù)領(lǐng)域里，等離子涂層所顯示的獨(dú)特優(yōu)越性已經(jīng)引起越來越多的工業(yè)部門的重系列的技術(shù) 領(lǐng) 畢業(yè) (設(shè)計(jì) )論文 第 17 頁 17 域里，等離子涂層所顯示的獨(dú)特優(yōu)越性已經(jīng)引起越來越多的工業(yè)部門的重系列的技術(shù)領(lǐng)域里，等離子涂層所顯示的獨(dú)特優(yōu)越性已經(jīng)引起越來越多的工業(yè)部門的重視，故在航空、冶金、機(jī)械、機(jī)車車輛等部門得到廣泛的應(yīng)用。特別是在三個(gè)重要產(chǎn)業(yè) (汽車、鋼鐵、能源 )方面得到了令人矚目的成功。在熱噴涂技術(shù)中等離子噴涂占據(jù)著最重要的地位。 等離子噴涂噴槍也在不斷地改進(jìn)，大多主要是為了保證噴涂粉末被充分加熱和提高熔融粒子的噴射速度： 1)將噴嘴加長(zhǎng)，使射流的溫度和速度均勻化； 2)雙陰極等離子噴涂，可大大調(diào)整流速和熱焓； 3)三陰極等離子噴 涂，使粉末在邊緣處也被充分加熱； 4)氣體隧道等離子噴涂，通過渦流來形成一氣體隧道使等離子射流能量密度提高。 針對(duì)噴涂粉末和等離子噴涂處理過程進(jìn)行數(shù)學(xué)分析和計(jì)算機(jī)模擬并對(duì)其實(shí)行智能化控制。電力和電子技術(shù)的發(fā)展也不斷使新型的功能器件得到應(yīng)用，使設(shè)備高效、節(jié)能和小型化，并具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)性能和控制方便等優(yōu)點(diǎn)。 等離子噴涂參數(shù)多達(dá)幾十種，而且有些之間相互影響。如何對(duì)噴涂工藝的控制實(shí)現(xiàn)智能化，并對(duì)噴涂過程實(shí)施在線反饋控制做出及時(shí)調(diào)整是一個(gè)有待深入解決的問題。近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)等離子噴涂過程和涂層的計(jì)算 機(jī)模擬也有較大的發(fā)展。 綜上所述，本論文在等離子噴涂 LSM 金屬連接板方面取得了一系列的理論與實(shí)驗(yàn)成果，優(yōu)化了噴涂工藝參數(shù)，探索了有效的工藝操作、降低薄膜與基體殘余熱應(yīng)力。但是要真正實(shí)現(xiàn)大批量、商品化生產(chǎn)還有一系列問題需要解決。噴涂過程中都是采用人工手動(dòng)操作，薄膜的厚度均勻性很難控制，建議以后采用本實(shí)驗(yàn)室的機(jī)器人按預(yù)先設(shè)定好的路徑進(jìn)行噴涂。此外，有關(guān)送粉量的精確控制、薄膜中導(dǎo)通孔隙測(cè)定等許多問題有待進(jìn)一步的研究。 畢業(yè) (設(shè)計(jì) )論文 第 18 頁 18 參考文獻(xiàn) 【 1】 李瑛，王林山 .燃料電池 .北京 :冶金工業(yè)出版社， 2020. 【 2】 衣寶廉 .高效、環(huán)境友好的 發(fā)電方式 .北京 :化學(xué)工業(yè)出版社， 2020. 【 3】 劉旭俐，馬峻鋒，劉文化等 .固體氧化物燃料電池材料的研究進(jìn)展 .硅酸鹽通