【正文】 Coatings Technology,2005,195:5251.[31] Bin Zhou, Klod Kokini. Effect of pre existing surface cracks on the interfacial thermal fracture of thermal barrier coatings: an experimental study [J]. Surface amp。我會在以后的學(xué)習(xí)和工作中不斷學(xué)習(xí)，以提高自己水平。李老師治學(xué)態(tài)度嚴(yán)謹(jǐn)，工作認(rèn)真負(fù)責(zé)，誨人不倦，平易近人的人格魅力對我影響深遠。min噴涂距離為90mm、而且，在等離子噴涂前，銅合金基體要進行噴砂糙化，高速的砂子在對銅基體表面進行粗化的同時，會對基體起到類似噴丸的作用效果，使銅合金產(chǎn)生部分壓縮冷變形，出現(xiàn)冷變形強化，從而強度、硬度獲得了提高。（a）涂層面掃描顯微圖 （b）Cr元素EDS面掃描圖 （c）Ni元素EDS面掃描圖 （d）Cu元素EDS面掃描圖 （e）Co元素EDS面掃描圖圖38 Cr3C2NiCr涂層EDS面掃描分析 涂層顯微硬度分析如表37及圖39所示，從涂層的表面開始，涂層硬度持續(xù)升高，達到525HV后到距離界面較近處，硬度下降至149HV，這是因為在典型的層狀組織中，中間的組織最為致密，硬度應(yīng)該為最高，從涂層中部到界面結(jié)合處，組織致密度逐漸下降，硬度明顯降低，是因為界面結(jié)合處組織存在缺陷，并且銅基體在等離子噴涂過程中，出現(xiàn)一定的過時效現(xiàn)象，硬度因此明顯降低。后飛來的粒子，由于不與銅基體直接接觸，冷卻速度較慢，顆粒凝固冷卻時間變長，積覆到先到達的粒子表面時，在撞擊力的作用下，以一定的變形量進行鋪展，同時在受到后飛來的霧化顆粒再次撞擊時，可發(fā)生較大的變形，冷卻后便形成層狀組織。從圖中可以看出，圖片的上部分為銅基體組織，下部分為圖層部分，涂層與基體結(jié)合比較緊密。所以，通常選擇的溫度低于最高時效溫度，再適當(dāng)延長保溫時間，通過緩慢時效過程來獲得好的強化效果應(yīng)用。時效時主要保證強化粒子析出時均勻和彌散分布。950℃，大部分第二相已溶解，但基體上仍有少量第二相。分析不同溫度固溶處理條件下的金相組織，如圖33所示。表33 編號固溶溫度（℃）硬度（HB）導(dǎo)電率（%IACS）193029503970由表33可以看出銅合金經(jīng)930℃，此時合金的布氏硬度是最低的，然而合金經(jīng)970℃，此時合金的導(dǎo)電率最低，綜合以上分析可以確定950℃即為銅合金的較佳固溶溫度。固溶處理是為了溶解基體內(nèi)碳化物、γ’相等以得到均勻的過飽和固溶體，便于時效時重新析出顆粒細小、分布均勻的碳化物和γ’等強化相，同時消除由于冷熱加工產(chǎn)生的應(yīng)力，使合金發(fā)生再結(jié)晶。該CuCo2Be合金的鍛態(tài)組織如圖32所示。 （a） （b）圖31 CuCo2Be合金中的鑄態(tài)組織（a）合金鑄態(tài)組織 100； （b）合金鑄態(tài)組織 500嚴(yán)重的枝晶偏析會使合金的力學(xué)性能下降，特別是合金的強度(硬度)、塑性和韌性顯著下降，同時導(dǎo)電率也有明顯下降[32]。 拉伸強度根據(jù)GB/T86422002《熱噴涂抗拉結(jié)合強度的測定》，用來測試涂層與基體結(jié)合強度，用MNT5205型拉伸試驗機測試噴涂涂層的拉伸強度。 性能測試 硬度根據(jù)GB/《金屬布氏硬度試驗方法》，采用HB3000型布氏硬度機測定試驗材料的硬度，壓頭直徑為5mm，使用的載荷分別為250N和750N。腐蝕結(jié)束后用清水沖洗，再用酒精清洗，最后用吹風(fēng)機吹干。載荷為50g，加載時間5s，每個方向不少于20個數(shù)據(jù)，分析其硬度分布規(guī)律。為保證膠接質(zhì)量，將試樣放在如圖26所示的專用夾具上靜止5h以上，再放入烘箱中于100℃烘4h，使膠水固化。s1，步距3mm，送粉方式為外送粉，預(yù)熱溫度為150℃，～。在噴涂過程中，涂層質(zhì)量受到眾多工藝參數(shù)的影響。采用E7高溫結(jié)構(gòu)膠作為膠接劑，將涂層與加載塊膠接起來。噴涂結(jié)束后測量試樣厚度，計算涂層厚度。粗化使用白剛玉砂進行。用酒精沖洗，然后將洗好的試樣放入盛有酒精的燒杯中，進行超聲波清洗，去除表面油污。 目前已發(fā)展到空氣、低壓( 或真空) 、空壓、惰性氣體以及水下環(huán)境的應(yīng)用，對環(huán)境的適應(yīng)能力強是等離子噴涂的最大優(yōu)點之一。 等離子噴涂是采用等離子噴槍產(chǎn)生的等離子噴流， 把數(shù)微米至數(shù)十微米的金屬陶瓷等單一或者混合粉末加熱和加速， 在熔融或接近熔融的狀態(tài)下噴向母體材料的表面而形成涂層。合金的時效硬化是一個相當(dāng)復(fù)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(dǎo)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。 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(dǎo)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。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(yù)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）其他主要設(shè)備 本實驗其他主要實驗設(shè)備見表22。SG100型等離子噴槍是一把可適用于許多應(yīng)用的多態(tài)噴槍。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(shè)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(fù)合粉、NiCrCr3C2（Cr3C2 75%、NiCr 25%）粉末、高純N高純Ar等。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。 (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。 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。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。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。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(yīng)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。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。Bin Zhou 和Klod Kokini[31]認(rèn)為涂層的厚度，最短的預(yù)裂紋和最長的預(yù)裂紋導(dǎo)致形成了很長的界面裂紋，預(yù)裂紋存在時的最佳狀態(tài)是使得涂層的斷裂強度最小。在熱循環(huán)載荷下，這些裂紋會生長，最終引起涂層分離。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(dǎo)率的目的。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。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(fù)合材料是一種理想的骨替代材料[27] 。輕基磷灰石的化學(xué)式為Ca (PO4)6(OH)2，簡稱H V，其化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)與人體骨骼和牙釉質(zhì)的化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)相似，能與骨組織產(chǎn)生骨性結(jié)合。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]。為了改善界面應(yīng)力狀況， 提高涂層結(jié)合強度，打底層+工作層是最常用的涂層結(jié)構(gòu)。等離子噴涂涂層傳統(tǒng)應(yīng)用于耐磨、耐蝕（氧化）、耐高溫等領(lǐng)域，這些涂層的制備技術(shù)已在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。 圖11 等離子工作原理圖 圖12 等離子噴涂設(shè)備組成示意 (1) 等離子噴涂技術(shù)特點[16~18]由于熱收縮效應(yīng) 、自磁收縮效應(yīng)和機械收縮效應(yīng)的綜合影響，所形成的非轉(zhuǎn)移型等離子弧通?？梢垣@得10000℃以上的高溫，并且熱量集中，因此可以熔化各種高熔點、高硬度的粉末材料；并且等離子焰流速度高達1000m/s，噴出的粉粒速度可達 180～600m/s，因此可以獲得組織致密、氣孔率低 、與基材結(jié)合強高、涂層厚度易于控制的噴涂層。送粉流輸送粉末噴涂材料進入等離子弧 ，并被迅速加熱至熔融或半熔融狀態(tài) ，隨等離子流高速撞擊經(jīng)預(yù)處理的基材表面 ，并在基材表面形成牢固的覆蓋層——噴涂層。圖 l1為等離子噴涂工作原理圖[2] 。 等離子噴涂強化 熱噴涂技術(shù)是通過某種特定熱源將某些材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，然后在基體表面上噴上涂層，形成一層性能優(yōu)越的涂層，從而使原工件具有更加優(yōu)異的表面性能，或者是使工件獲得一種或幾種原來基體材料不具備的表面性能膜狀組織[1314]。等離子噴涂是目前所有的熱噴涂工藝中最為方便靈活的一個，它可以產(chǎn)生足夠的能量熔化任何材料。電弧噴涂系統(tǒng)一般是由噴涂專用電源、控制裝置、電弧噴槍、送絲機及壓縮空氣供給系統(tǒng)等組成?；鹧鎳娮焱ㄟ^引入乙炔和氧氣，二者混合后產(chǎn)生燃燒火焰。熱噴涂技術(shù)是材料表面強化與保護的重要技術(shù)，利用熱噴涂技術(shù)制備耐磨涂層已經(jīng)成為主要的研究方向，以防止機械和設(shè)備零部件等發(fā)生故障，并提高其使用壽命。它是以火焰、電弧或等離子體等作為熱源，將線狀材料或粉末狀材料加熱至熔融或半融化狀態(tài)，加速形成熔滴并高速打在基體材料上形成涂層。合金元素可以以多種形式存在于才材料基體中：在固溶體中以溶質(zhì)原子方式無序分布，與溶劑原子組成有序結(jié)構(gòu)，形成與基體不同的彌散質(zhì)點，并形成尺寸相當(dāng)大的復(fù)相混合物等；阻礙作用對位錯運動的影響是合金獲得高強度的直接原因。由于晶界及相鄰晶粒取向不同，這就阻礙了位錯從一個晶粒向另一個晶粒的運動，晶粒越細，單位體積內(nèi)的晶界體積就越大，對位錯的阻力作用就越大，材料的強度就越高。所以工業(yè)上常通過細化晶粒的方法用來提高材料強度。（5）細晶強化通過細化晶粒方法改善金屬材料力學(xué)性能的方法稱為細晶強化，工業(yè)上常通過細化晶粒的方法來提高材料的強度。鑄錠熱機械處理法對時效強化型銅合金能對合金的強度和導(dǎo)電率能產(chǎn)生較好的效果。(4) 冷變形+時效強化冷變形+時效強化是目前對高強度高導(dǎo)電性銅的研究與開發(fā)合金較為常用的方法。時效處理后，合金元素會從基體中快速析出，形成彌散細小的沉淀相，有效阻礙晶界和位錯的運動，因固溶原子引起的晶格畸變對電子的散射作用比第二相對電子的散射作用大的多，故時效后強度提高，而導(dǎo)電性又恢復(fù)到較高水平。當(dāng)使材料用溫度過高時，材料將發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶過程而產(chǎn)生軟化的現(xiàn)象，而且單一的形變強化對合金強度的提高是有限的，所以經(jīng)常和其它強化方式一起使用。近年來，由于熱噴涂技術(shù)的迅速發(fā)展和應(yīng)用，使得基體材料在耐磨損、耐腐蝕和絕緣性等方面性能都有了很大的改善。銅及銅合金具有許多優(yōu)良的特性，銅以合金化種類多和化合物的形式多被人們所利用，也被深深地應(yīng)用到了生產(chǎn)和生活的各個方面，成為人類在21世紀(jì)飛速發(fā)展的一個不可缺少的重要金屬。等離子噴涂工藝是于基體材料基礎(chǔ)上的表面強化和表面改性的技術(shù)，可以使基體表面具有耐磨、耐蝕、耐高溫氧化和密封等性能。因此，銅合金廣泛應(yīng)用于電力、電工、礦山、冶金業(yè)及機械制造業(yè)等，特別是對同時要求耐磨性、耐蝕性、導(dǎo)熱或?qū)щ姷牧慵哂胁豢商娲淖饔?。bine.Keywords：plasma spraying；Cr3C2NiCr coating；bonding strength；orthogonal test目 錄第一章 緒 論 1 1 1 熱處理強化工藝 2 熱噴