热喷涂层滚动接触疲劳寿命演变规律研究进展

滚动接触疲劳寿命是评价热喷涂层性能的重要指标之一。目前,用于热喷涂层滚动接触疲劳寿命演变规律的研究方法主要可以分为三大类:理论模型法、疲劳试验法和有限元分析法。模型预测法侧重对失效机理的描述,主要通过理论推导建立模型公式,再通过试验获取模型所需参数,从而达到预测涂层寿命的目的。疲劳试验法侧重对疲劳数据的分析,通过疲劳试验机得到寿命数据,采用Weibull分布等统计模型对数据进行分析,建立不同寿命影响因素与涂层疲劳寿命之间的关系。有限元分析方法则是通过采用计算机软件模拟涂层实际工况的方法,对涂层工作中的部分参量进行科学估计,是上述两种方法的补充。从热喷涂层滚动疲劳寿命研究方法的角度出发,总结各种研究方法的研究成果,系统综述国内外学者对热喷涂层滚动接触疲劳寿命演变规律的研究现状,确定疲劳试验与有限元分析相结合的方法。     

内孔热喷涂技术的研究现状与展望

在机械制造、石油化工、航空航天和钢铁冶金等工业领域,存在着很多关键而重要的内孔类零部件,例如：发动机气缸体、燃气轮机壳体、液压机构仝缸和各种泵送管路等。内孔类零部件常服役于极端温度、腐蚀介质、高比负荷等苛刻工况下,易于发生严重的磨损、腐蚀失效。内孔热喷涂技术是在零件内壁制备涂层的重要方法,可以对内孔类零部件进行强化改性或对报废零件实施再制造。文中首先从技术原理、作业方式、发展历程和工业应用等方面系统介绍了内孔等离子粉末喷涂、内孔等离子丝材喷涂、内孔超音速火焰喷涂和内孔电弧喷涂4种最典型的内孔热喷涂技术。在此基础上,全面对比了各项技术的优、缺点,包括工艺成本、选材范围和涂层性能等。随后分别从涂层结合强度提升、涂层孔隙和厚度控制、涂层残余应力调控等方面指出了内孔喷涂工艺相比于普通外缘喷涂的特殊性,并总结了相应的技术难点,包括喷涂距离受限、局部热量累积、粉尘聚集和污染等等。最后指出,进一步揭示涂层微观成形机理、提升涂层与基体结合强度、发展多种表面技术复合工艺等是内孔热喷涂技术今后的重点研究方向。     

基于粒子飞行特性及铺展行为的WC-10Co4Cr涂层孔隙形成机理研究

采用超音速等离子喷涂设备制备WC-10Co4Cr涂层, 通过调整喷涂功率得到了具有不同孔隙结构特征的涂层, 以液氮为冷却介质收集不同熔化状态下的飞行粒子, 并通过镜面钢收集熔滴撞击铺展之后所形成的扁平粒子, 采用扫描电子显微镜观察涂层、收集的飞行粒子及扁平粒子形貌, 采用透射电镜观察涂层显微组织结构。结果表明: 随着喷涂功率的增大, 涂层的大孔隙含量逐渐降低, 而当喷涂功率上升到60 kW时, 涂层内部出现较多的热裂纹, 涂层的显微硬度则随着功率的增加而先增大后减小, WC扁平粒子主要有四种类型, 包括熔化不佳、破碎型、气泡型及花瓣型, 孔隙的形成主要是由于“遮蔽效应”、微区气体作用、熔滴不充分润湿及气孔迁移等。     

热喷涂成形过程热量累积行为与温度控制研究现状

热喷涂技术作为零部件表面强化的重要技术,在提升零部件耐磨、耐腐蚀、耐高温等综合性能,延长零部件的使用寿命等方面发挥着重要作用。但热喷涂成形过程中焰流温度高、能量密度集中易使涂层/基体体系累积大量热量,进而导致涂层出现热裂纹甚至开裂、剥落等现象,降低涂层的服役可靠性和缩短涂层的工作寿命。针对热量累积造成涂层质量下降的问题,目前研究焦点为探究热喷涂成形过程热量累积行为并对涂层/基体体系进行温度场监控,以掌握体系温度场动态变化过程。根据体系热量累积规律,调节喷涂工艺参数并加载冷媒介质来实现涂层成形过程的温度控制是提升涂层成形质量的重要方法,为涂层成形过程创造良好的外界环境,解决涂层/基体热量累积的难题。近年来研究人员综合应用数值模拟与实验测试方法探究热喷涂成形过程中涂层/基体体系热量累积行为,研究其温度演变规律。基于数值模拟高效率、形象直观的特点,研究静态喷枪在不同喷涂距离、不同基体物性参数等条件下基体表面与截面温度场分布。在此基础上,研究动态喷枪不同加热运动轨迹对体系热量累积的影响,以及考虑涂层动态逐层搭接堆垛过程体系的温度变化。本文还归纳了多种测温设备在基体/涂层体系温度测量中的适用性及优缺点。还有学者分析了喷枪移动速度与运动轨迹对体系热量累积的影响,并力图通过控制喷涂工艺使体系温度处于合适范围。在综合对比压缩空气冷却、水冷却与干冰喷射冷却等不同冷媒介质对体系温度控制优缺点的基础上,提出干冰冷却具有洁净与散热的双重作用,可大幅度提升涂层的综合性能。本文归纳了热喷涂成形过程热量累积行为与温度控制的研究现状,其中热量累积行为研究主要通过数值模拟与实验测试进行,而温度控制主要是基于喷涂工艺优化与采用合适的冷媒介质冷却展开,分析了目前理论研究与实验测试中的不足。总体上,数值模拟在预测喷涂成形过程中涂层/基体体系的温度场演变规律,特别是针对喷涂件形状不规则或喷枪运动轨迹复杂的场合具有广阔的应用前景。     

热喷涂层孔隙及对涂层性能影响的研究现状

孔隙是热喷涂层的一种重要结构缺陷,热喷涂层孔隙率是表征涂层致密程度的重要指标,也是评价涂层质量优劣的重要标准。孔隙率的高低直接影响涂层的服役性能,将涂层孔隙率控制在一定范围内,对提高涂层使用寿命、增强涂层的防护性能具有重要意义。总结了热喷涂层孔隙的形成机理、热喷涂层孔隙形成的影响因素、涂层孔隙率的测试方法,阐述了热喷涂层孔隙对涂层隔热性能、力学性能、腐蚀性能的影响,并展望了该领域未来的重点研究方向。     

等离子喷涂熔滴快速撞击基体非稳态凝固行为研究进展

涂层成形过程中的缺陷含量、残余应力、沉积效率、组织结构及力学性能等指标均会随着工艺参数与基体预处理状态的不同而发生显著变化,因而需要从更加微观的角度深入理解等离子喷涂涂层的微观构筑过程,即单个熔滴的铺展凝固现象。本研究分别从熔滴凝固的类型与机理、不同因素对熔滴凝固过程的影响及凝固斑点形态的定量表征方法 3个方面详细综述了等离子喷涂熔滴撞击基体快速凝固过程的研究现状。结果表明,熔滴的铺展形态主要可以分为5类,包括圆盘型、破碎型、放射型、花瓣型及气泡型,影响铺展过程的因素主要包括熔滴特性(速度、温度、粒径、材料属性、熔化状态等)与基体状态(表面粗糙形貌、表面化学状态、吸附物及冷凝物、界面润湿性及接触热阻等)2大类,综合采用一系列参数对熔滴铺展几何形态进行表征,可实现熔滴沉积质量的定量评价。     

热喷涂涂层/基体异质界面结合强度优化理论与方法现状研究

结合强度是评价热喷涂涂层质量的重要指标之一,直接影响装备零部件的服役安全与寿命。由于涂层本质上是由大量高速飞行的熔融态喷涂粒子撞击基体迅速铺展凝固、逐层堆垛所形成的,无法在基体界面形成微熔池或有效的元素扩渗,因而涂层/基体界面通常以机械结合为主,冶金结合的含量则相对较少。分别从基体表面粗化预处理、原位元素扩渗及重熔后处理三个角度,详细综述不同处理工艺对涂层/基体界面机械与冶金两种结合机理提升的影响规律。结果表明,粗化后的基体能够增加界面锚合、嵌合及咬合的机械结合程度,同时增大熔滴与基体表面的润湿程度,减小界面裂纹及热应力;通过调节粒子飞行特性(包括速度、熔融状态、物相成分、几何结构、空间分布等)与基体表面状态(温度、化学成分等)等,降低撞击基体后的凝固速度,促进界面元素扩渗,有利于形成微冶金结合;原位激光辅助喷涂及各类重熔后处理技术则可以通过引入的热源,进一步促进涂层内各组元的充分混合、消除微裂纹及孔隙等结构缺陷、调控整体热应力,提升涂层结合强度。     

高熵合金涂层制备及其应用的研究进展

高熵合金涂层又称多主元合金涂层,是一种新型合金涂层。受高熵效应的影响,涂层的组织结构主要由单一的BCC、FCC或者HCP固溶体相构成,且易于形成非晶、纳米晶和纳米复合物,呈现出优异的综合力学性能、抗高温氧化性能、耐辐射性能和生物兼容性能等,具有重要的研究价值和应用前景。分别从涂层的主元数量和位形熵值两方面对高熵合金涂层的概念进行了阐述,比较分析了热喷涂、激光熔覆以及物理气相沉积等几类常用的高熵合金涂层制备工艺的优点和不足,总结了高熵合金涂层的工业应用现状,最后指出了高熵合金涂层在目前的研究中存在的问题并展望了其未来的发展方向。     

Ti4O7功能陶瓷材料研究与应用现状

TinO2n-1是一类应用前景广阔、极具研究价值的高性能导电陶瓷材料。它具有独特的物理、化学和电化学性能,晶体结构中的氧缺陷除了使其拥有自身的陶瓷特性外,还赋予其类金属的导电性能,打破了其因导电性能差而限制陶瓷材料的进一步推广应用。Ti_4O_7是TinO2n-1中导电性能最佳的材料,同时它还拥有诸多优异的性质如敏锐的光响应能力、较强的耐酸腐蚀性和较好的电化学稳定性,这些独特的性质引起了材料研究者对其的高度关注,并将其广泛应用于电化学、热电材料、储能材料、光催化降解等领域。目前,研究人员基于Ti_4O_7的电子导电性和化学稳定性,主要将其用作电池电极和电催化载体材料,生产工艺已逐渐成熟并实现商业化。然而,Ti_4O_7的生产制备工艺还存在许多不足。粒径大小、孔隙率和结晶程度等因素均会对Ti_4O_7的性能产生影响。工业上主要采用高温还原钛源前驱体的方法,经过高温处理后的Ti_4O_7通常存在颗粒团聚、烧结严重、比表面积大的问题,这严重影响了Ti_4O_7的性能。为解决高温处理引发的固有问题,研究人员在制备工艺的设计优化方面不断进行尝试,在优化高温合成方法的同时,也探索了一些中低温合成制备途径,但依旧存在产物纯度不高、生产能耗大等问题,工艺细节还需深入研究。目前制备工艺的主要研究方向为:(1)提高制备产物的纯度;(2)细化晶粒,控制粉体粒径大小;(3)制备出形貌可控的粉体。针对Ti_4O_7制备过程中出现的问题,研究人员不断引入新技术。在溶胶凝胶法的基础上利用静电纺丝技术制备出高比表面积的核壳结构中空管道材料,烧结温度降低了近20%;首次采用微波辐射的加热方式,微波下辐射30 min即可制备出形貌可控的Ti_4O_7。近两年,随着研究的不断深入,Ti_4O_7的各项优异性能得到了进一步开发和应用,在锂离子电池、锂硫电池、金属-空气电池、燃料电池中表现出更卓越的快速充放电性能和循环稳定性,并在储能材料、热电材料和光电材料等新能源领域得到了应用。本文介绍了Ti_4O_7的组成结构和理化性质,归纳了Ti_4O_7陶瓷的主要制备工艺及典型应用,分析总结了各类制备工艺的优缺点和应用需求,并对本领域今后的热点研究方向和发展趋势进行了展望,为Ti_4O_7功能陶瓷材料的推广应用提供了参考。     

等离子喷涂层微观成形过程数值模拟研究现状

等离子喷涂具有焰流温度高、粒子速度快、能量密度高等特点,是零件表面强化和再制造常用的表面工程技术之一,在耐磨、防腐、热障等诸多领域具有重要应用。涂层的质量往往决定零件的服役性能和使用寿命。等离子喷涂层的成形质量受众多喷涂要素和工艺参数的交叉耦合作用。传统优化喷涂工艺的方法是依据实践经验确定主要工艺参数的可行域,然后反复进行工艺参数调节和涂层性能验证来获得相对合适的工艺参数,这种方式存在成本高、效率低、可靠性差的缺陷。数值模拟作为一种新兴的科学研究方法,在等离子喷涂领域不仅有助于优化喷涂工艺参数,而且有助于深入理解喷涂成形原理和涂层微观构筑过程。研究者们借助数值模拟手段,探究等离子喷涂过程的微观机理,模拟实验中无法观测瞬时、高速的现象,并且指导优化喷涂工艺参数,改善喷枪机械结构,在提升涂层质量与性能上发挥重要作用。本文总结了数值模拟中有限元模拟的研究步骤,综述了近年来国内外数值模拟在等离子喷涂层微观成形过程应用的研究现状。在等离子射流形成的数值模拟中,研究领域从单一物理场转化为多物理场耦合,能较为准确地把握等离子喷枪中复杂的物理现象;其数值模拟范围主要包括等离子射流的温度场模拟、湍流模拟与电磁特性模拟等。在喷涂粒子与射流交互作用数值模拟中,研究者结合实验探究喷涂粒子与大气物性参数对飞行过程的影响,获取最佳的喷涂距离、送粉管角度等工艺参数;其数值模拟范围包括等离子射流中粒子加速过程模拟、加热过程模拟、飞行轨迹和空间分布模拟。在喷涂粒子铺展凝固过程的数值模拟中,将瞬时、高速的铺展凝固过程形象化,掌握基体与大气物性参数对该过程的影响。其数值模拟范围包括粒子撞击铺展过程模拟与凝固生长过程模拟。本文针对模拟过程中存在的湍流模型不够准确,飞行粒子的蒸发与破碎现象研究不够深入,以及多个粒子搭接堆垛成形过程探索较少等问题,展望了数值模拟在等离子涂层微观成形过程的研究方向,并提出基于喷涂成形过程数值模拟建立涂层虚拟成形系统的构想。