【文章內(nèi)容簡介】 。文獻[ 2122]采用N iC rA lY 打底、等離子噴涂的ZrO228% Y2O3 熱障涂層的結(jié)合強度得到了較大的提高， 。階梯涂層能使整個涂層結(jié)構(gòu)的膨脹系數(shù)呈階梯狀， 變化趨于平緩， 能減小涂層間特別是涂層與基體間的內(nèi)應力， 提高涂層與基體的結(jié)合強度，涂層耐高溫、抗熱沖刷等性能大幅提高[23 ] 。熱障涂層廣泛應用于航空發(fā)動機、燃氣輪機等高溫工作下零部件的表面， 起隔熱作用。如燃氣輪機的受熱部件如噴嘴、葉片、燃燒室等均處于高溫氧化和高溫氣流沖蝕的惡劣工作環(huán)境中，承受溫度高達1100 ℃ [24]。實踐證明， 熱障涂層材料隔熱效果顯著，并具有良好的抗熱震性和高溫抗氧化性，消除了燃燒室隔熱屏局部燒蝕變形及裂紋等故障[25] 。等離子噴涂技術(shù)是制備醫(yī)用生物涂層材料的一種有效方法。國內(nèi)外對等離子噴涂經(jīng)基磷灰石涂層和欽涂層的研究報導較多。輕基磷灰石的化學式為Ca (PO4)6(OH)2，簡稱H V，其化學成分和晶體結(jié)構(gòu)與人體骨骼和牙釉質(zhì)的化學成分和晶體結(jié)構(gòu)相似，能與骨組織產(chǎn)生骨性結(jié)合。目前這種涂層廣泛用于人工髓關(guān)節(jié)和人工牙齒植人材料[26]。但多孔經(jīng)基磷灰石是脆性材料, 韌性差, 強度低, 難以在生物體的承載部位使用。研究表明, 等離子噴涂方法可制備厚度 30 μm 的涂層材料, 涂層與基底的結(jié)合強度 60 MPa。通過摸擬體液和體液中的培養(yǎng)試驗, 證明等離子噴涂Hv / Ti 合金復合材料是一種理想的骨替代材料[27] 。在等離子噴涂過程中，由于快速凝固等原因，會產(chǎn)生一定密度的微觀缺陷，包括氣孔和裂紋等。Pavel Ctibor 等人[28]對熱噴涂涂層的微觀結(jié)構(gòu)進行了定量的分析，根據(jù)涂層中缺陷的特征，可以分為圓柱形的孔，片層之間的孔和垂直缺陷。在等離子噴涂過程中，熔融態(tài)的顆粒高速沉積在基體上而形成涂層，該工藝過程決定了涂層的孔隙不可避免。描述涂層孔隙結(jié)構(gòu)特征的一個重要參數(shù)是涂層的總體孔隙率。Ghislaine Bertrand 等[29]分析了孔隙的尺寸和形態(tài)，認為當氬氣的流動速率較高（40 L/min）氫氣的流動速率較低（4 L/min）時，會使得涂層的總體孔隙率升高。機械性能與孔隙率之間有一定的聯(lián)系，涂層的熱導率一般隨涂層孔隙率的增加而下降。[30]通過改變沉積參數(shù)，設計了梯度涂層，使得涂層的孔隙率在向頂層方向上增加，最終減少了熱傳導系數(shù)。因此，通過提高涂層表面的孔隙含量，以達到降低涂層熱傳導率的目的。Nakamura 等人通過有限元模型的幾何形狀與實際的陶瓷包含許多嵌入的孔隙的模型很相似的方法，研究了孔隙的尺寸，形狀和方向?qū)嵴贤繉恿W性能的影響。在等離子噴涂過程中，由于快速淬火的影響，在涂層中會產(chǎn)生高密度的微觀裂紋。其中，最典型的包括與基體平行的裂紋和垂直裂紋。在熱循環(huán)載荷下，這些裂紋會生長，最終引起涂層分離。Ghislaine Bertrand 等[29]研究指出噴涂角度與基體成75（186。），并且冷卻速率較高時，與基體成30（186。）方向的裂紋的長度會有所增加，指出涂層中微裂紋的會影響等離子噴涂涂層中的熱傳導率。Bin Zhou 和Klod Kokini[31]認為涂層的厚度，最短的預裂紋和最長的預裂紋導致形成了很長的界面裂紋，預裂紋存在時的最佳狀態(tài)是使得涂層的斷裂強度最小。等離子噴涂時， 銅基體易氧化， 涂層與基體主要靠機械錨合，涂層材料與銅基體熱膨脹系數(shù)差異極大， 界面處存在較大的熱失配內(nèi)應力， 涂層與基體結(jié)合強度低，熱疲勞壽命不高，從而制約了等離子噴涂在銅基體上的應用。隨著新材料、新設備和新工藝的出現(xiàn)和發(fā)展， 銅及銅合金表面等離子噴涂涂層性能將會進一步提高。關(guān)于銅合金表面等離子噴涂的研究，今后應在如下幾個方面展開深入研究：(1) 發(fā)展新型涂層, 注重涂層結(jié)構(gòu)設計。研究解決涂層與銅合金基體熱膨脹系數(shù)失配以及物理性能差異過大的問題，從而提高涂層與基體的結(jié)合力和熱疲勞壽命。目前銅合金表面涂層的開發(fā)一方面要考慮如何通過改進打底層性能來消除或減小涂層與基體間的差異，降低應力；另一方面則要改善和改進涂層設計， 如梯度涂層等多層涂層設計， 提高涂層的強度和熱疲勞壽命。(2) 開發(fā)應用的新領(lǐng)域，發(fā)展復合工藝。等離子噴涂與其他學科相互交叉滲透形成了新的表面復合處理工藝。例如， 與熱處理工藝相結(jié)合出現(xiàn)了真空擴散重熔和高頻感應重熔涂滲工藝；與電鍍工藝相結(jié)合產(chǎn)生了鍍涂工藝和涂鍍工藝；采用新的能源，出現(xiàn)了激光重熔和電子束重熔等。利用復合工藝，能較好地改善涂層性能。等離子噴涂的新技術(shù)、新工藝還有待于進一步探索和開發(fā)， 其應用的領(lǐng)域包括在銅及銅合銅表面強化、改性等方面必將得到進一步拓展。(3) 簡化、優(yōu)化工藝， 發(fā)展涂層性能的預測。操作簡便、成本低、生產(chǎn)效率高及涂層質(zhì)量好的工藝無疑是發(fā)展的方向。為此， 需通過建立各種材料的噴涂工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫和合理的模型及專家系統(tǒng)來預測涂層的性能，對涂層及工藝進行優(yōu)化設計。目前這方面的研究相對很少，這也是今后進行深入研究的重要方向。 論文意義水平連鑄是現(xiàn)代各大鋼（管）廠生產(chǎn)各類型鋼的主要方法，結(jié)晶器銅合金內(nèi)套是水平連鑄設備中最為關(guān)鍵的易耗部件。在使用過程中由于銅套表面直接與1475～1570℃的高溫鋼液接觸，內(nèi)表面工作條件極其惡劣，易產(chǎn)生多種形式的失效，失效的主要形式是產(chǎn)生熱裂紋、磨損、剝落、劃傷和腐蝕等。銅套的質(zhì)量高低直接影響煉鋼的效率、效益及勞動強度。自上世紀八十年代水平連鑄技術(shù)快速發(fā)展以來，國內(nèi)外一些鋼鐵企業(yè)及研究單位，為了提高結(jié)晶器銅合金內(nèi)套的使用壽命，主要從提高銅合金內(nèi)套的材料質(zhì)量及其表面強化、表面改性二個方面進行了大量研究工作。本文結(jié)合國內(nèi)某大型鋼廠生產(chǎn)中存在的問題，在對結(jié)晶器銅合金內(nèi)套的失效形式、機制進行較全面分析研究的基礎(chǔ)上，對材料CuCo2Be內(nèi)套合金進行熱處理工藝優(yōu)化試驗及對銅合金內(nèi)套進行表面改性—等離子噴涂強化工藝試驗。 論文研究內(nèi)容本論文主要研究內(nèi)容如下： (1) 對合金進行熔煉、澆注、鑄造、鍛造及熱處理工藝研究。熔煉、澆注及鑄造工藝要能保證獲得合格的鑄件質(zhì)量，是后續(xù)的鍛造、熱處理獲得良好效果的前提，使合金內(nèi)部質(zhì)量滿足探傷合格的要求。 (2) 對CuCo2Be合金進行熱處理工藝研究，測量鑄態(tài)、鍛態(tài)試樣的硬度及導電率，試樣進行固溶時效處理后，測量硬度及導電率，確定最佳的固溶、時效溫度和時間。 (3) 以涂層與基體的結(jié)合強度為指標，采用正交試驗法研究工藝參數(shù)對涂層質(zhì)量的影響，以Cr3C2NiCr粉末作為噴涂粉末，對基體材料CuCo2Be表面進行等離子噴涂工藝研究，確定最佳工藝參數(shù)，并進行拉伸強度測試，通過極差法對工藝參數(shù)進行優(yōu)化，優(yōu)化出最佳的噴涂工藝方案。 (4) 通過掃描電鏡觀察不同參數(shù)條件下涂層的形貌，并通過EDS及SEM分析涂層與基體的結(jié)合方式。第二章 試驗內(nèi)容與試驗方法 試驗材料 基體材料高強高導CuCo2Be合金具有較好的耐高溫性、導熱性，具備耐磨損、耐腐蝕、高硬度和高抗拉強度的要求。本試驗采用時效硬化態(tài)的CuCo2Be合金，成分性能如表21 所示。表21 CuCo2Be合金化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%）合金添入元素CoBe其他CuCuCo2Be%%%余量 噴涂粉末材料等離子噴涂層的性能指標主要和噴涂材料的性能和噴涂工藝有關(guān)。采用相同工藝，不同涂層材料，所得到的涂層性能也不同；同一種涂層材料，采用不同噴涂工藝，得到的涂層性能也不相同。本試驗所使用的噴涂粉末為北京礦冶研究總院金屬材料研究所生產(chǎn)的燒結(jié)型Cr3C230NiCr復合粉末，成分如表22所示。Cr3C230NiCr復合粉末涂層堅硬致密，是中高溫下理想的抗氧化、耐磨、耐蝕涂層，常于中高溫下的燃氣沖蝕磨損、微動磨損、磨粒磨損、硬表面磨損等條件下使用。NiCr合金具有優(yōu)異的耐熱、耐腐蝕、抗高溫氧化等性能，Cr3C2具有較好的高溫硬度和抗高溫氧化性，因此Cr3C230NiCr涂層在950℃下具有優(yōu)異的抗高溫氧化性、抗高溫氣流或微粒沖蝕磨損和硬面磨損性能，可作為本試驗較為理想理想的噴涂材料。表22 工作涂層材料牌號名稱成分/wt%硬度粒度KF71碳化鉻鎳鉻80%Cr3C2，20%NiCr325+500目 試驗藥品及設備 試驗藥品氯化鐵鹽酸溶液、無水乙醇、金剛石研磨膏、燒結(jié)型復合粉、NiCrCr3C2（Cr3C2 75%、NiCr 25%）粉末、高純N高純Ar等。 試驗設備（1）3710型等離子噴涂系統(tǒng) 等離子噴涂設備是比較復雜的，是指產(chǎn)生高溫熱源、加熱、熔化、霧化、加速被噴涂材料，并在基體表面沉積形成涂層所用的一套裝置的總稱。本試驗使用的等離子噴涂系統(tǒng)為3710型等離子噴涂系統(tǒng)，主要設備包括HF2210型等離子噴涂專用電源，3710型控制柜，SG100型等離子噴槍，1264型送粉器，AMS3265型制冷熱交換器，螺旋空氣壓縮機等。等離子噴槍是噴涂設備中的核心裝置，等離子噴槍含陰陽兩極，中間留有空隙通入等離子氣體，同時用循環(huán)冷卻水保護槍體和陰極棒。SG100型等離子噴槍是一把可適用于許多應用的多態(tài)噴槍。送粉方式有槍內(nèi)送粉和槍外送粉兩種，本試驗采用槍外送粉。3710型控制柜可以控制兩個送粉器和用于工件冷卻等用途的輔助電路。控制柜具有安全自鎖，以防止在水、電及氣路有故障時保護噴槍工作，如圖22所示。（2）其他主要設備 本實驗其他主要實驗設備見表22。表22 試驗設備極其性能指標試驗設備設備型號性能指標用途箱式電阻爐SX21012額定溫度1200 ℃固溶、時效立式砂輪機S3S2503000轉(zhuǎn)／分除去氧化皮金相試樣預磨機YM2A500轉(zhuǎn)／分試樣預處理金相試樣拋光機P—21400轉(zhuǎn)／分拋光處理大型金相顯微鏡（HAL100）ZEZSS50、100、200、500拍攝金相照片布氏硬度計HB3000HB測定硬度渦流導電率測試儀FQR7501%IACS測導電率掃描電鏡TEOLJSM6480觀察組織、斷口形貌“百通”牌噴砂機9080試樣噴砂 試驗內(nèi)容 銅合金的熔煉與澆鑄熔煉是鑄造生產(chǎn)工藝之一。將金屬材料及其它輔助材料投入加熱爐溶化并調(diào)質(zhì)，使其符合澆注鑄件要求。常用的工業(yè)熔爐有：沖天爐、工頻爐、中頻爐、電阻爐。銅合金的熔煉與澆鑄工藝過程如下：①合金的熔煉過程合金的熔煉過程一般如下：升溫預熱坩堝→加入爐料→爐體抽真空→升溫→熔化→攪拌→保溫→放氣→打開爐蓋→撒入集渣劑→扒渣→測銅液溫度→澆注（非真空）。 ② 熔煉澆鑄工藝熔煉出爐溫度：1390℃澆注溫度：1310℃本試驗使用真空中頻感應爐進行熔煉，非真空澆注，澆入規(guī)格Φ160210mm，預熱溫度為300℃左右的鐵模內(nèi)，凝固后出模。 鑄態(tài)組織與性能分析研究①測出鑄態(tài)試樣的硬度HB、導電率e（%IACS）。②對試樣進行微觀組織的觀察并拍下金相照片記錄；③根據(jù)所測數(shù)據(jù)結(jié)果進行初步分析。 鍛態(tài)組織與性能分析研究①測出三個系列的試樣的硬度HB、導電率e（%IACS）；②對試樣進行微觀組織觀察并拍金相照片記錄；③根據(jù)所測數(shù)據(jù)結(jié)果進行初步分析。 固溶處理試驗固溶處理是指將合金加熱到高溫單相區(qū)保持恒溫，使過剩相充分溶解到固溶體中，然后后快速冷卻，以得到過飽和固溶體的熱處理工藝方法。固溶處理的溫度范圍大約在980~1250℃之間，主要根據(jù)各個合金中相析出和溶解規(guī)律及使用要求來選擇，以保證主要強化相必要的析出條件和一定的晶粒度。固溶處理是有色金屬合金強化熱處理的第一個步驟。根據(jù)以上原則，進行如下試驗：①固溶溫度的確定：銅合金一般固溶溫度為930～970℃，在此區(qū)間取3個溫度，分別為930℃，950℃，970℃，進行固溶處理（水冷）；②測出其導電率e和硬度HB，以確定較佳固溶溫度；③進行微觀組織觀察并拍下金相照片，研究固溶溫度對組織與性能的影響。 不同溫度、不同時間的時效工藝試驗固溶處理后，隨即進行第二個步驟——時效，合金即可得到顯著強化。時效處理是指合金工件經(jīng)固溶處理，冷塑性變形或鑄造，鍛造后，在較高的溫度放置或室溫保持其性能，形狀，尺寸隨時間而變化的熱處理工藝。時效處理的目的，消除工件的內(nèi)應力，穩(wěn)定組織和尺寸，改善機械性能等。合金的時效硬化是一個相當復雜的過程，它不僅取決于合金的組成、時效工藝，以及取決于合金在生產(chǎn)過程中所造成的缺陷，特別是空位、位錯的數(shù)目和分布等。根據(jù)以上原則，進行如下試驗：①時效溫度、時效時間的確定：對試樣進