基于异种粉末等离子喷涂技术的zro

基于异种粉末等离子喷涂技术的zro

1复合涂层的制备方法zro2级隔热梯度涂层可用于高开口、加热发动机和燃料外的高温零件。它有效地降低了涂层的热应力，提高了零件的可靠性和使用寿命。目前,国内外在梯度涂层方面的研究已获得了长足进展,但仍有许多瓶颈,尤其是工业应用的梯度涂层制备的可靠性与实用性仍是研究的热点。当前,制备隔热涂层主要有相分布控制(PVD,CVD)和粒子排列技术(等离子喷涂,自发热反应法)两种,尤其是等离子喷涂工艺制备涂层在工业生产中具有应用前景,它可获得超高温,超高速的热源,适合于制备大面积陶瓷和耐热合金组合而成的梯度涂层。本文基于零部件表面强化与维修,采用异种粉末等离子喷涂工艺,以及单片机控制技术,取代人工机械混合多种粉末方式,对各种粉末的单位时间输粉量进行自动控制,以实现涂层组分沿厚度方向呈梯度变化,消除异相界面,使涂层的物理、化学性能,组织结构也呈相应的连续梯度变化,从根本上改变传统金属-陶瓷复合涂层中存在明显的界面现象。在此基础上,还对不同试验方案,涂层过渡层层数的多寡对涂层结合强度、抗热震性的影响进行了探讨。2涂层材料的制备工艺和控制技术2.1涂层组分的选择本试验制备的隔热梯度涂层为ZrO2系列,该涂层由金属粘结层、金属/陶瓷过渡层,以及陶瓷工作层组成。陶瓷采用ZrO2+6～8wt%Y2O3粉末。由于6～8wt%Y2O3具有较好的综合性能,使涂层具有较好的耐热性、抗热震性和热稳定性等,而有利于涂层性能的改善。据文献报导,0.127mm/厚ZrO2·Y3O3涂层可降低基体温度189℃。因此,选择该陶瓷作为涂层的一种组分,而另一组分采用金属粉末NiCrAlCo。由于NiCr合金具有很好的抗高温氧化能力,可在800～1100℃下使用,由其所制成的合金涂层,结合强度高,涂层组织致密。鉴于上述原因,本试验选用ZrO2·Y2O3作工作层,起隔热作用;NiCrAlCo作粘结底层,起连结基体和过渡层作用;过渡层则由前面两种粉末按一定比例制成,起连结和隔热作用。2.2涂层结构方案隔热梯度涂层由三部分组成:粘结底层、中间过渡,层和工作层。本试验的涂层设计方案有两个。两种方案的涂层总厚度均为0.6mm,其中粘结底层0.10mm,工作层0.20mm。两种设计方案不同之处在于中间过渡层的设计。两种过渡层分别为1层和3层,其中陶瓷组分的分布采用公式。式中C——梯度层中陶瓷成分的体积百分数;x——相应梯度层的位置;d——梯度数(包括工作层);p——组成分布规律指数。两种方案涂层结构见表1。对应于不同P值,梯度涂层有不同的组分分布,从而决定了涂层的不同结构和性能,这里涂层采用线性分布因子,取P=。3分散法和粉末输送法3.1涂层喷涂量的要求3.1.1试验设备采用LP—60Z型等离子喷涂装置,781型等离子喷枪,以及刮板式输粉单片机控制装置。本试验有两种方案,每种方案有三组不同试样,其中中(a)Φ40mm×40mm,5对,用于结合强度试验;(b)50mm×10mm×5mm,4块,用于显微分析;(c)50mm×50mm×5mm,5块,用于抗热震性能试验。为了提高喷涂效率,在喷涂某种方案涂层时,将这三种试样排放在一起,同时喷涂,其喷涂面积(见图1)为:S=280×120=33600(mm2)=336(cm2)。在每一种方案的涂层喷涂中,涂层中的每一梯度所需的各组分质量及喷涂时间是不同的,其计算公式为式中ρ——某涂层某组分密度,ZrO2,5g/cm3;NiCrAlCo,7.5g/cm3;m——某涂层某组分所需质量,g;S——某方案涂层实际喷涂面积,cm2;h——某涂层厚度,cm;p——某组分在涂层中所占的体积百分比,%;η——某组分的沉积效率,ZrO2,55%;NiCrAlCo,75%。式中mi——某一涂层i组分所需质量,g;W——单位时间总输粉量,W=30g/min。隔热功能梯度涂层中每一层送粉量及时间等参数见表2。隔热梯度涂层制备采用的是异种粉末等离子喷涂工艺,使用单枪操作,其有关工艺参数见表3。3.2两种粉末单位时间输粉量间的关系3.2.1粉末输送装置采用异种粉末等离子喷涂工艺实现涂层组分梯度化,关键在于输粉方式及其控制技术。涂层制备时,将ZrO2·Y2O3和NiCrAlCo两种粉末分别贮存于两个贮粉筒中,分别由两台步进电机来驱动,见图2所示。由于ZrO3和NiCrAlCo熔点不同,前者高于后者,因此前者采用枪内送粉,使粉末在等离子弧焰焰芯中充分加热,陶瓷熔化效果好,沉积效率及结合强度高;金属粉采用枪外送粉,这样使两者得到良好加热熔融。3.2.2送粉参数计算输粉装置采用单片机,驱动电路以及步进电机,控制刮板输粉器的转动(见图2),使输粉器按一定的速度运转,从而达到两种粉末输送量也按一定的梯度变化。单位时间粉末输送量与电机转速之间关系公式为:式中g——单位时间输粉量,g/min;d——漏斗出粉孔孔径,cm;h——漏斗出粉孔端面距粉盘高度,cm;R——漏斗出粉孔孔轴线距粉盘轴线距离,cm;C松——粉末松装比,g/cm3;α——粉末堆积角度,1/rad;n——步进电机转速,r/s。步进电机为55BF009型,步距角β=0.9°,步进电机工作频率(f)与电机转速之间存在线性关系:步进电机工作频率由单片机应用系统自动控制程序运行时,从键盘输入的参数决定,即由定时器T0初始值T1确定。本系统中晶振频率为6MHz,则一个机器周期为2μs(12个振荡周期=1机器周期),可求得定时器T0为16位,其最大值为#FFFFH,(即216=65536),T0由初始值TI起不断自动加1,直到产生定时溢出。T0产生溢出后,程序自动转入T0中断服务子程序。在此子程序中,程序将下一个脉冲控制模型送入芯片8155PA口,使电机转过一个步距角;并重装T0初值、等待下一次中断,这样循环反复,电机就按照规定的工作频率运转起来。为了寻找TI与g之间的关系,将式(5)代入式(6),得将式(4)改写成式中C——常数,C=65536;K——当h不变时,K为常数,K=1500πRh(hctgα+d)式(9)建立起定时器T0初始值TI与单位时间输粉量间的关系,解决了两种粉末单位时间输粉量控制问题。此外,在控制中还必须解决步进电机运转时间长短。该时间长短由步进电机运转总步数多少来确定,即式中t——送粉时间,(s);f——步进电机工作频率,Hz:由式(6)变换为:将式(11)代入式(10),得那么,输粉器在喷涂某一梯度涂层时送粉时间可以通过键入单片机系统的运行步数来实现。4涂层试验方法根据我国热喷涂层结合强度的测定(GB8642—88)以及日本热喷涂陶瓷试验方法(JISH8666—1990)进行了涂层结合强度、显微分析以及抗热震性试验。4.1拉伸试验结果将Φ40×40mm对偶试棒的结合表面粗化,清洗干净,涂E—7胶于试棒结合面,连接后烘干。拉伸试验结果见表4。试验表明,方案2涂层结合强度高于方案1。4.2涂层断面成分能谱分析为了确定隔热功能梯度涂层的成分分布是否与涂层设计方案相一致,是否具有梯度分布的成分,采用能谱仪对涂层断面成分进行测定,测定结果见表5。由表5可见,方案1,2中的涂层成分ZrO2和NiCrAlCo分布沿涂层厚度方向呈梯度变化。4.3涂层胶残液试验将50mm×50mm×5mm试样放在加热炉中,加热到800℃,保温10min,取出放入清水中冷却,如此反复,直到出现裂纹、剥离现象,试验结果见表6。试验发现两种方案有以下不同首先是涂层剥落不同,方案1试样表面颜色黑,表面陶瓷似被去掉了一层;方案2试样颜色变化小,表面几乎无剥落现象,其次是涂层表面裂纹不同,方案1试样表面裂纹多,呈网状,网格大而明显,且裂纹深入过渡层中;方案2试样表面仅有少量浅而不规律分布的裂纹。由此可见,方案2抗热