本科论文开题

1、本科生毕业设计（论文）开题报告论文题目：铝-铬涂层的热喷涂制备及反应冷性的工艺研究学 院：材料科学与工程学院 专业班级：焊接技术与工程1201班学生姓名： 肖科 指导教师： 李德元 开题时间：2016年3月25日目录1绪论11.1论文研究的背景和目的及意义11.2热喷涂的分类11.3电弧喷涂原理及应用21.4等离子喷涂原理及应用31.5铝铬合金的性能及应用32国内外研究现状32.1国内研究的情况42.2国外研究的情况52.3研究思路和研究方法63研究内容64实验方案及设备65课题研究时间安排7参考文献71绪论1.1论文研究的背景和目的及意义随着现代工业技术的发展，材料的腐蚀、磨损与防护问题的重

2、要性日益增强。据统计，发达国家因腐蚀、磨损所造成经济损失在某些发达国家高达国民生产总值的2-4%；我国因腐蚀、磨损造成的经济损失也十分巨大，据不完全统计每年因腐蚀、磨损造成的钢材消耗达100万吨以上，至于其所造成的间接损失更是难以估计。腐蚀、磨损造成的工件或结构失效是从表面开始的，最终导致整体的缓慢失效或工作过程中的突然失效，后者的危害性更大。为防止在高温、高压、重载、腐蚀介质等环境下工作的工件因表面的损伤而导致整体破坏，提高工件的可靠性，表面工程技术界研究开发了多种提高表面性能的措施，如表面热处理、表面化学处理、气相沉积、电刷镀、高能密度束表面处理、热喷涂等。铝铬合金具有质轻、耐磨、耐热、耐

3、腐蚀和抗高温氧化等优异的性能，在航空航天、汽车制造等行业有着巨大的潜在使用价值1。用普通铸造方法制备的高铬铝合金铸件存在晶粒粗大、成分偏析严重等问题，且力学性能较差，无法满足实际应用的要求2。近年来，国内外不少学者就如何获得成分均匀、组织细小的铝铬合金做了大量研究工作3-7，在一定程度上改善了铝铬合金的性能。采用优质、高效、低成本的高速电弧喷涂技术(HVAS)和等离子喷涂技术制备出的Al-Cr涂层具有优异的高温氧化抗力、腐蚀及磨损抗力8-9，用于电厂锅炉管道受热面、汽轮机叶片等高温、腐蚀、磨损环境下服役零部件的防护涂层。目前采用高速电弧喷涂法和等离子喷涂法制备Al-Cr涂层的报道较少，且存在工

4、艺方法较为单一，形成过程机理研究不透彻等一系列不足，故本课题采用不同工艺及热处理改性方法，以制备出性能更为优良的Al-Cr涂层，并对其具体形成机理进行深入研究。1.2热喷涂的分类热喷涂按照热源和结合方式来分类，可以分为喷涂和喷熔两种情况。如表1所示，根据加热喷涂材料的热源来分类是最常见的热喷涂分类方法，这样可分为：表1热喷涂的分类种类火焰类爆炸喷涂、火焰喷涂、超音速喷涂电弧类电弧喷涂、等离子喷涂电热法电容放电喷涂、感应加热喷涂和电爆喷涂从热喷涂热源的选择方面来看，还可以分成燃烧法和电热法。爆炸喷涂和高速火焰方法主要用的就是燃烧法；电热法主要分为等离子喷涂以及电弧喷涂10-11。图1-1所示，可

5、以清晰的看到近年来火焰喷涂的应用最多，其次是电弧喷涂，等离子喷涂，最后是高速火焰喷涂。图1-1主要热喷涂方法的应用比例(%)电弧喷涂是20世纪80年代兴起的热喷涂技术。它在近20年间获得迅速发展，在国际上已逐步部分取代火焰喷涂和等离子喷涂。据有关资料统计，到20世纪末，在所有热喷涂技术中，电弧喷涂的技术应用比例占15%，其市场比例占第3位12-17。电弧喷涂正日益成为热门的热喷涂技术之一。1.3电弧喷涂原理及应用电弧喷涂是利用燃烧于两根连续送进的金属丝之间的电弧来熔化金属，用高速气流把熔化的金属雾化，并对雾化的金属粒子加速使它们喷向工件形成涂层的技术。电弧喷涂系统一般是由喷涂专用电源、控制装置

6、、电弧喷枪、送丝机及压缩空气供给系统等组成。主要用于制备防腐、耐磨涂层，或加工失误的机件表面修复和制备电容封焊涂层等。广泛应用于水利、船舶、铁路、石化、桥梁和机械制造等领域。1.4等离子喷涂原理及应用等离子喷涂是一种材料表面强化和表面改性的技术，可以使基体表面具有耐磨、耐蚀、耐高温氧化、电绝缘、隔热、防辐射、减磨和密封等性能。等离子喷涂是采用由直流电驱动的等离子电弧作为热源，将陶瓷、合金、金属等材料加热到熔融或半熔融状态，并以高速喷向经过预处理的工件表面而形成附着牢固的表面层的技术。可用于航空航天、机械制造、化工、石油、冶金等工业中耐热、隔热、动密封、耐磨、减磨、耐蚀涂层。1.5铝铬合金的性能

7、及应用金属材料的抗氧化性能取决于该金属表面所形成的氧化膜性质，能够形成致密、稳定且与基体金属结合牢固氧化膜的材料通常具有很好的抗高温氧化性能。Al、Cr可以生成稳定、致密氧化膜的元素，当Al、Cr被加入到Fe、Cu、Ni等金属中，可以显著地提高这些材料的抗氧化和抗高温腐蚀能力。但是随着材料中Al、Cr元素含量的增加,材料的脆性也增加，而Cr的加入会增加材料的成本和恶化材料的工艺性。由于高温氧化或腐蚀都是在材料的表而进行，只要提高材料表面的Al、Cr元素含量就能达到强化材料抗氧化和抗腐蚀能力的目的。在这两种元素中，Al是抗氧化效果最好的元素。在Fe、Cu、Ni等合金材料制作的工件表面形成一定厚度

8、的铝化物涂层小但可以显著地提高这些材料的抗氧化和抗高温腐蚀能力，又不降低基体材料的塑性和韧性。铬的熔点较高(2158K)，在铝中溶解度很低，室温时基本上不溶解。铬对于基体铝合金具有一定的强化作用，通常作为附加合金化元素添加到铝基体中以改善合金性能。铝铬合金是优质的耐热、耐磨、耐腐蚀材料，广泛应用于表面镀层、轴承、活塞等方面18。2国内外研究现状金属间化合物为基体的材料或合金是当前材料界研究的热点，以前所有的金属材料都是以相图中端际固溶体为基体，而金属间化合物材料则是以相图中间部分有序金属间化合物为基体，因此，与传统的金属材料相比，有其特有的物理和机械性能。铝铬合金在最近的研究中受到极大的重视，

9、由于其具有长程有序的特殊结构，从而带来一些特殊的物理、化学和力学性能，如独特的电、热、瓷、光、声性质，优良的抗腐蚀性和高温结构性质，较高的比强度和中温强度，而且还表现出反常的屈服行为、独特的形变特征和室温脆性，最具有吸引力的是其原材料价格低廉。基于上述特性，有人认为它是介于高温合金与陶瓷之间的一种新型高温材料，作为新一代中高温结构材料和不锈钢替代材料具有广泛的应用前景。由于铝铬合金制造过程中冷速不够高，易产生粗大晶粒和析出相，成分偏析严重，在后续挤压或锻造加工时变形不均引起开裂，目前很难用普通铸造的方法制备出高质量的铝铬合金，一般采用粉末混合、压制、烧结的方法19-20。2.1国内研究的情况（

10、1）固液混合铸造工艺制备高铬铝合金国内采用固液混合铸造工艺制备高铬铝合金，液混合铸造新技术的原理是在过热熔体中加入大量同种合金粉末或润湿较好的异种粉末，强烈均匀搅拌，然后进行铸造或各种热加工。固液混合铸造从理论上来说结合了喷射沉积和半固态加工两者的优点，能制造粉末冶金所不能生产的大件。固液混合铸造与喷射沉积相比，其特点是设备简单，工艺简化，生产成本低；与半固态相比，固液混合铸造又能获得非常细微的组织，材料的综合力学性能好。其机理为：粉末熔解产生的形核核心增殖作用；加入粉末的快冷作用；强烈机械搅拌对枝晶的破碎作用。（2）等离子喷涂形成涂层用等离子喷涂的涂层，特别是镍铝化合物的涂层，也可作为耐热涂

11、层应用。喷涂涂层用的粉末是50一80微米的铝颗粒，其外层涂以镍质外壳，镍与铝的重量比为80:20。含Al热喷涂涂层的高温表现与A1扩散机制用等离子祛制取的涂层，该涂层最高工作温度为1300，它与基体的粘结强度约为25MPa，可用来制取保护涂层，以防高温氧化。涂层与基体表面熔融颗粒相互作用的过程，时间很短(几分之一秒)，所以，涂层喷涂之后，观察不出涂层材料向基体表面明显的扩散渗透。镍向基体表面扩散，是在900OC和10000C温度下长时间保温过程中进行的。（3）电弧喷涂形成涂层针对金属间化合物在工业中作为高温结构材料使用存在脆性的问题，王灿明、孙宏飞21等用A3钢板作为基体材料，采用丝材电弧喷涂

12、设备喷涂纯Al于基体表面，并采用高温扩散法促进铁铝金属间化合物的形成，扩散温度取750、800、850、900、950，时间为lh。得到均匀致密，具有较高使用价值的Fe-Al金属间化合物涂层；在合适的扩散处理温度下，涂层与基体之间形成了成分连续过渡的扩散结合；当处理温度为950、扩散时间为1h时，单一层状的金属间化合物的出现保证了涂层具有良好的高温抗氧化腐蚀性能；涂层的显微硬度大致在HV1000左右，这表明涂层具有优异的耐磨性能。田浩亮、魏世丞22为了提高Fe-Al金属间化合物涂层的结合强度和耐磨性，改善其室温韧性，研制了一种新型FeAlCr电弧喷涂粉芯丝材，利用高速电弧喷涂技术在45钢基体表

13、面制备了涂层。采用扫描电镜（SEM）、能谱仪（EDAX）和X射线衍射仪分析了涂层的微观结构和微区成分，用显微硬度计、拉伸试验机和微动摩擦磨损试验机等试验设备对涂层的力学性能进行了分析。其结果表明，喷涂FeAlCr粉芯丝材过程中合金元素反应充分，涂层组织均匀、致密，氧化物含量极低。主要相组成有Fe-Al、Ni3Al金属间化合物，硬质相Cr3C2、氧化物Cr2O3和Al2O3弥散分布在韧性相-Fe基体上。涂层平均HV显微硬度为5.50GPa，约是基体的2倍，平均结合强度约47.2MPa，载荷100N油润滑条件下涂层的耐磨性高于基体。2.2国外研究的情况电子束蒸发镀铝-铬合金涂层可用于提高工件的耐蚀

14、性和耐磨性，解决纯粹的镀铝层有良好的耐蚀性但耐磨性差，镀铬层耐磨性好但不耐蚀的问题23-24。同时，由于铝、铬在给定的温度下能生成保护性氧化膜Al2O3、Cr2O3，从而可进一步提高涂层的抗高温氧化性25-27。据文献报导，日本已应用真空镀膜技术在钢板上沉积铝-铬合金涂层以提高钢板的物理和化学性质，从而得到高质量的钢板涂层28。采用固液混合铸造新技术制备了Al-10Cr合金，通过对固液混合铸造Al-10Cr合金的阳极极化曲线测定，考察了其腐蚀性能。结果表明，当加粉量为40%、粉末粒度为74175m时可获得均匀的细晶组织，且耐腐蚀性能优于不加粉半固态铸造Al-10Cr合金。日本神户制钢所在卷状钢

15、带上成功地镀上80%铝、20%铬的合金镀层，这种镀层的钢板对盐水的耐腐蚀性高达500010000h，而普通锌镍镀层钢板只有300h。Sharma等人29采用等离子喷涂法在纯铁表面喷涂铝粉，并通过激光合金化表面技术对涂层进行后处理，根据激光强度的不同，涂层经处理后可得FeAl3，Fe2Al5及FeAl等金属间化合物。2.3研究思路和研究方法研究思路：利用电弧喷涂方法在基体上制备出纯Al涂层，利用等离子喷涂方法在纯Al涂层上喷Cr，对制备的工艺参数、涂层的力学性能、涂层之间的形成机理进行研究，此外，在Cr涂层上再喷涂涂层，乃至于叠加覆盖Cr涂层，形成多层复合涂层，并对复合涂层加热，研究高温下不同层

16、间的Al-Cr扩散机制。研究方法：利用电弧喷涂喷涂和等离子喷涂制备涂层，使用高温电阻炉加热涂层组织，形成Al-Cr涂层，并采用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）等设备观察试件的组织形貌和相成份，利用维氏硬度计、涂层结合力、摩擦磨损测定进行相关力学性能检验。3研究内容（1）利用电弧喷涂和等离子喷涂制备Al-Cr涂层。（2）研究Al-Cr涂层的冷性机理，涂层的性能。（3）研究不同工艺参数对制备Al-Cr涂层的影响。4实验方案及设备实验所用的设备为：电弧喷涂设备、等离子喷涂设备、喷砂机、切割机、高温电阻炉、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）等。实验步骤：（1）试件表面的预处理

17、：先用酒精去除试件表面污渍，再用丙酮去除表面氧化物，最后用20#棕刚玉砂对工件表面进行喷砂粗化处理，以此净化工件表面，增加工件表面粗糙度，提高工件基体的表面活性度，为使工件获得满意的待喷涂表。（2）采用XDP-5型电弧喷涂焊机对工件喷涂Al。其工艺参数为：电弧电压3040V，工作电流100110A，压缩空气压力0.65MPa，喷涂距离500mm。（3）利用等离子喷涂，对试件进行喷Cr粉，形成新的涂层。（4）对形成的涂层，进行分析，并研究其冷性机理。（5）并研究不同工艺参数对涂层的影响。5课题研究时间安排第一周：毕业设计外文文献翻译。第二周：毕业设计开题报告资料搜集。第三周：毕业设计开题报告撰写

18、。第四周-第五周：查阅资料，了解并掌握等离子喷涂和电弧喷涂操作原理。第六周-第七周：完善实验方案，进行设备调试。第八周-第九周：按实验方案初步制备Al-Cr涂层。第十周-第十一周：调整或沿用实验方案，得到能制备出较好Al-Cr涂层的最佳工艺条件。第十二周-第十三周：将所制得的涂层进行结构分析，对所得涂层抗高温氧化性、耐磨性能进行测试。第十四周-第十五周：将所获得的实验数据进行归纳，总结。第十六周-第十八周：撰写毕业论文，准备答辩。参考文献：1程相飞，严红革，陈振华，等固液混合铸造制各Al-l0Cr合金的研究J特种铸造及有色合金，2005，25(2)：5-872刘劲松，陈振华，蒲玉兴，等A1-1

19、0%Cr合金的固液混合压铸工艺J机械工程材料，2009，33(1)：0-323刘劲松，陈振华，蒲玉兴，等固液铸造技术在高铬钊合金中的应用研究J铸造，2008，57(2)：73-1754Iya I.Tashly kova-Bushkevich, GorohItoh, et al.Kinetics of hydro-gen desorption from rapidly solidified Al-Cr alloysJ. Materials Transactions, 2011, 52(5):895-899.5米国发，ra松岩，蒋祖龄，等快速凝固Al-Cr合金的组织和性能J材料研究学报，1994，

20、8(6)：96-5006王渠东，金俊泽离心铸造Al-Cr合金自生梯度复合材料J铸造，1996，45(4)：6-127Almeida A,Vilar R Al-Al7Cr eutectic in Al-Cr alloy ssynthsized by laser alloyingJ.Scripta Materialia,2010(63):811-814.8ZhuZX,XuBSMaSN，et al.Study on microstructure and properties of high velocity arc sprayed Fe3Al intermetallic coatingJ.Weldi

21、ng,2002(1):14-18.9徐滨士，朱绍华表面工程的理论与技术M北京：国防工业出版社，199910TungB,SimonC.Scuffing and wear behavior of aluminum piston skirt coatings against aluminum cylinder boreJ.Wear,1999,21(3),33-35.11韩月辉，李东新裂解炉炉管使用寿命延长的措施J乙烯工业，1998，10(1)：54-5812朱日彰，何业东，济慧滨高退腐蚀及耐高温腐蚀材粗M上海：上海科学技术出版社，199513马志春耐热扩散涂层M北京：国防工业出版社，198814黄志

22、荣，徐宏，李培宁中国表面技术M上海：上海大学出版社，201215武建军，曹晓明现代金属热喷涂技术M北京：化工工业出版社，200716钱强，刘克勇，俞韶华热喷涂技术在国内外的应用J焊接，2009，3(5)：6-917Mckamey C G,DeVan J H,Tortorelli P E.A facile route to prduce Fe-Al intermetallic coating by laser surface alloying.Mater.Res,2001,10(22):77980518陈振华，严红革，陈刚，等合金和复合材料的固液混合铸造技术：中国专利，ZL01106868XP00119CHEN Z H,ZHANG H,YANG F L,et al.A novel multilayer spray deposition technology C/Word J V Proc 3rd Int Conf On Spra