Bonding Mechanism from the Impact of Thermally Sprayed Solid Particles

Power particles are mainly in solid state prior to impact on substrates from high velocity oxy-fuel (HVOF) thermal spraying. The bonding between particles and substrates is critical to ensure the quality of coating. Finite element analysis (FEA) models are developed to simulate the impingement process of solid particle impact on substrates. This numerical study examines the bonding mechanism between particles and substrates and establishes the critical particle impact parameters for bonding. Considering the morphology of particles, the shear-instability–based method is applied to all the particles, and the energy-based method is employed only for spherical particles. The particles are given the properties of widely used WC-Co powder for HVOF thermally sprayed coatings. The numerical results confirm that in the HVOF process, the kinetic energy of the particle prior to impact plays the most dominant role in particle stress localization and melting of the interfacial contact region. The critical impact parameters, such as particle velocity and temperature, are shown to be affected by the shape of particles, while higher impact velocity is required for highly nonspherical powder.     

前驱物颗粒的形貌对钴粉形貌的影响

研究了球形草酸钴、球形Co（OH）2的制备方法及其颗粒形貌和晶体结构，并以此为前驱物还原制备金属钴粉，对钴粉颗粒形貌与其前驱物颗粒形貌之间的关系进行了分析讨论。     

纳米氧化锆的固相合成及机理研究

以八水氯氧化锆和草酸钠为原料,固相反应合成出前驱体二水草酸氧锆,前驱体在600℃分解5 h,得到氧化锆粉体。结果表明,产物为粒度分布均匀、纯度高、单斜相和四方相共存的纳米氧化锆粉体,其一次颗粒尺寸在15 nm左右。     

The Oxidation Mechanism of Pure Magnesium Powder Particles: A Mathematical Approach

Metallurgical and Materials Transactions B - In this study, the mechanism of nonisothermal oxidation of magnesium powder was determined using a tension analysis, which was performed by mathematical...     

The Effect of Solid Particles on Liquid Viscosity

The viscosities of solid‐liquid mixtures were experimentally determined for silicon oil‐paraffin system at room temperature and solid‐liquid oxide mixture at steelmaking temperature. The use of oil‐paraffin systems was to confirm the results of high temperature measurements, the experimental conditions being very difficult to control. The silicon oil‐ paraffin mixtures behaved Newtonian until the particle fraction reached 0.15. At this fraction, the mixture started deviate from Newtonian flow; though some average values could still be collected with very high uncertainty. Liquid‐2CaO.SiO₂ mixtures and liquid‐MgO mixtures were studied at steelmaking temperature with carefully prepared particle fractions and well controlled conditions. Liquid‐2CaO.SiO₂ mixture behaved Newtonian even when the particle fraction reached 0.1. The results of both room temperature measurements and steelmaking temperature measurements were used to examine the applicability of the existing models. Einstein‐Roscoe equation was found to be the only model applicably for the systems studied. No modification of the model parameter was found necessary, though the particles were not spherical.     

添加剂对多孔陶瓷显气孔率的影响

采用硅粉,碳粉,尿素以及氧化铝,氧化钇为原料,利用常压烧结法制备了氮化硅多孔陶瓷,并着重研究了添加剂对氮化硅多孔陶瓷显气孔率的影响,得出氮化硅多孔陶瓷的显气孔率随着碳粉或尿素含量的增加而增大,且碳粉的造孔作用优于尿素。     

连铸保护渣中碳成分对熔化速度的影响机制

在传统的保护渣熔融结构的基础上,提出了保护渣熔化速度的主要控制因素——积碳层的氧化机制,着重分析了其中自由碳与结合碳的烧损机理,然后对熔渣池的形成以及圆、板坯保护渣熔化速度的差异进行了探讨。     

等离子喷涂YSZ可磨耗涂层孔隙率与力学性能关系研究

本文主要研究了多孔YSZ可磨耗封严涂层孔隙率与其力学性能的关系。采用高能等离子喷涂制备了不同孔隙率自支撑YSZ涂层试样,采用三点弯曲实验研究了孔隙率与YSZ涂层室温和1060℃高温力学性能的关系。结果表明,涂层孔隙率在11.61%～28.80%之间时,室温下涂层断裂韧性为12.48 MPa·m^1/2～20.96 MPa·m^1/2,抗弯强度为17.10 MPa～43.75 MPa,弹性模量为3.64 GPa～13.13 GPa,1060℃下涂层断裂韧性为9.79 MPa·m^1/2～13.71MPa·m^1/2,抗弯强度为20.20 MPa～35.12 MPa,弹性模量为5.15 GPa～11.00 GPa。随孔隙率增加,涂层断裂韧性增加,抗弯强度、弹性模量减小。在中、低孔隙率下,涂层在高温下的抗弯强度、弹性模量和断裂韧性低于室温,在高孔隙率下,高温条件下涂层的抗弯强度、弹性模量高于室温。随着孔隙率的增加,高温条件涂层力学性能的变化趋势相较室温时更为平缓。     

超音速火焰喷涂气缸内壁涂层及其固有孔隙的益处

按照内燃机的新规定和规范,需要降低其油耗和排放。超音速火焰喷涂可以用来喷涂耐磨涂层,这一工艺具有很大潜力。热喷涂涂层能提高内燃机的效率,减少发动机气缸壁的损耗,提高持久性和耐磨性,从而达到促进发动机减耗的目的。热喷涂工艺同样可以达到耐腐蚀的要求,如使用合金和陶瓷粉末,就可以在现代的内燃机里使用生物燃料。此外,热喷涂涂层的特殊表面结构,包括其多孔性,可以让气缸保持在润滑摩擦的状态,甚至是在相对移动量较小处也可以减小摩擦,如顶部和底部的正中心处。另外,表面开放孔隙可以减少油耗,从而减少内燃机的污染物排放。运用HVOF和HVSFS工艺可以喷涂各种材料,包括最最新的纳米级粉末。经过喷涂的气缸和引擎由于其摩擦系数,磨损和油耗等重要因素,被认为是现代化的部件。     

磁参数法用于评估 NiCr 基合金热喷涂层结合强度的研究

本文提出了一种基于饱和磁滞回线特征参数的热喷涂层与基材结合强度的无损测试方法。 采用 MA-WF-05 型磁滞多参数评估系统, 对在 #45 碳钢基材上制备的系列 NiCr 基合金涂层进行了测试, 同时对上述样品采用拉 伸试验方法测试了结合强度。 并通过多元回归分析方法建立了涂层结合强度的预测方程。 结果表明预测值与拉伸 试验测试值的平均偏差为 3.25%, 该方法有望推广应用于其他热喷涂层样品。     

喷涂粒子在等离子体射流中的加热历程及熔化状态研究

本文通过对水中收集的等离子喷涂熔融粒子进行粒度分析及形貌观察,研究了喷涂粒子在普通大气等离子喷涂(APS)及超音速大气等离子喷涂(SAPS)射流中的加热历程及熔化状态。实验观察到氧化钇部分稳定的纳米颗粒团聚造粒的氧化锆(Y-PSZ)球形粉末颗粒在APS及SAPS射流中传热传质过程中的熔融与"细化"现象有明显不同:在SAPS射流中,尺寸较大(粒径在几十微米)的颗粒大部分形成了十分细小的(小于5μm)颗粒;相对而言,APS中的熔融粒子仍以十几微米以上较大粒径的半熔融粒子为主。进一步研究表明,大尺寸粒子在等离子射流中先从表层熔化,逐渐向颗粒内部扩展,形成柱晶熔区,属典型的梯度熔化模式,最终芯部存留大量细小未熔一次粒子,即所谓半熔融状态;相应的SAPS中大量粒径小于5μm的小颗粒在超音速等离子体射流中整体迅速熔化(即所谓等温熔化模式)。对熔融或半熔融粒子撞击基体后的扁平化过程进行分析表明:在APS射流中扁平粒子的直径一般在100μm以上,且周围飞溅较多,导致典型的层状多孔的粗大组织结构,层间出现较多平行横向裂纹;而SAPS大量细小熔滴撞击基体后,冷却更快,多呈无明显飞溅的直径约10～30μm圆盘状,形成大量细密柱晶交错堆垛而成的、无明显分层的特殊结构。对收集粒子进行X-射线衍射相分析表明,APS及SAPS两种工艺下的熔融粒子均未发生明显相变,相组成主要为室温下非转变四方氧化锆(t’-ZrO2),说明喷涂粒子在高温等离子射流的加热历程中,其晶体结构和化学成分未发生明显变化。     

An Interface-Enriched eXtended Finite Element-Level Set Simulation of Solutal Melting of Additive Powder Particles during Transient Liquid Phase Bonding

A new numerical simulation model is developed by using an interface-enriched eXtended Finite Element-Level Set (XFE-LS) method to study the solute-induced melting of additive powder particles (APPs) during transient liquid phase (TLP) bonding. The robust model captures rapidly occurring concurrent interfacial events at multiple propagating liquid-solid interfaces to simulate the melting behavior. In contrast to the critical assumption in analytical models, numerical calculations show that solute-transport into the APPs during the equilibration of the liquid composition is a significant factor that affects the APPs melting behavior. Also, the study shows that the solute-transport dependence of extent of APPs melting is influenced by the kinetics of solid-state solute diffusion within the particles. The understanding generated by the numerical analysis has resulted in the use of interlayer powder mixture that contains base-alloy APPs to produce single crystal TLP joint that has matching crystallographic orientations with single crystal substrate material, at a substantially reduced processing time, which has been previously considered unfeasible.     

熔滴温度对大气等离子喷涂Ni基合金扁平粒子界面结合的影响

涂层内粒子层间的结合质量决定涂层的性能与服役效能,理解界面结合形成过程规律与机制,有利于发展增强界面结合的有效方法。本文采用NiCr-Mo粉末来提高熔滴温度,并在不同温度下沉积单个扁平粒子,研究了熔滴温度对界面结合的影响规律。采用FIB制样和TEM微观结构分析技术,对扁平粒子与基体间界面进行精细表征,并结合高温熔滴铺展过程的数值模拟,研究熔滴温度对扁平粒子与基体间界面结合的影响规律。结果表明,温度为2150℃的NiCr熔融粒子因温度低,铺展中无法分散基体表面氧化膜,而在界面形成由金属-氧化膜-金属呈三明治结构的化学结合,结合率较低,低于40%;温度为2650℃的NiCr-Mo熔滴在扁平化铺展中可引起中心区域的基体表面熔化,引发基体表面氧化膜分散化,从而使中心区域在界面处通过熔融金属融合形成冶金结合,在该区域以远的界面则通过氧化膜形成化学结合,界面结合率接近80%。模拟结果表明随着熔滴温度的增加,铺展中界面温度升高,超过熔点的界面区域增大,基于熔合的界面冶金结合率增加至约65%,但受到扁平粒子直径随温度增加的制约,冶金结合率难以进一步大幅度提升。因此,为了通过热喷涂沉积金属粒子间完全结合...     

致密度对铸件力学性能影响规律的研究

用真空调压铸造方法,通过试验,得到铸件空隙率与铸件力学性能之间的关系.试验结果表明,随着孔隙率的升高,材料的抗拉强度不断降低.在孔隙率小于0.1%时,抗拉强度达到较高的数值,铸态下ZL101抗拉强度达到了200 MPa以上,且变化比较平缓;在孔隙率大于0.15%时,抗拉强度随着孔隙率的升高急剧下降.     

气氛环境对等离子体喷涂钛涂层的影响研究

采用真空等离子体喷涂设备,在不同的气氛环境下制备钛涂层,并就其对涂层氧含量和结合强度的影响进行研究。结果表明：等离子体喷涂过程中的气氛环境可显著影响所制备钛涂层的氧含量,进而影响其相组成和结合强度。钛涂层氧含量的降低能提高涂层的结合强度;氧含量减小至0.1%时,涂层的结合强度可达63.0MPa。     

氧化铌阴极微观结构对电脱氧制备铌的影响

采用电脱氧法,以Nb2O5烧结片为阴极,石墨棒为阳极,在CaCl2-NaCl混合熔盐中制备金属铌.分别研究了压制压力、烧结温度对阴极片微观结构和电脱氧反应及其产物的影响.实验结果表明,烧结温度和压制压力对Nb2O5烧结片的晶粒尺寸、孔隙度和孔隙尺寸具有明显的影响,从而影响到电脱氧的反应速率和效果.晶粒细、孔隙度高和连通性好的烧结氧化铌阴极能够提高电脱氧的反应速率和效果.研究表明,12MPa压制成型后经1 200℃烧结的阴极片,电脱氧效果最佳.     

微量硅酸钠的掺杂机理及掺杂量对还原钨粉性能的影响

将微量硅酸钠以不同浓度的水溶液形式掺杂到蓝色氧化钨中并在相同的条件下还原成钨粉。结果表明,还原钨粉的粒度随硅酸钠掺杂量的增加而增加,少量掺杂还使还原钨粉的松装密度增加。对还原钨粉表面的扫描电镜及x射线光电子能谱分析结果显示,掺杂到蓝色氧化钨中的硅酸钠最终以Na_2SiO_3和SiO_2二种分子形式存在并以微粒状分布在还原钨粉的表面。掺杂微量硅酸钠还使还原钨粉中的二次颗粒增加。     

新型铝硅氮化硼复合涂层材料及可磨耗封严涂层的制备和性能研究

本文以铝硅合金粉和六方氮化硼为原材料,添加粘结剂,采用机械包覆工艺制备了铝硅氮化硼复合粉末;采用大气等离子喷涂工艺制备了可磨耗封严涂层,并对涂层的显微组织、表面硬度、结合强度和抗热震性能进行了研究.研究表明,该复合粉末材料具有良好的喷涂工艺适应性,能有效避免氮化硼组分在喷涂过程中的烧损,喷涂后涂层的各项性能良好,可以满足发动机对工作温度≤450℃的封严涂层的使用要求.     

高、低喷涂功率下内送粉等离子喷涂YSZ粒子熔化状态研究

等离子喷枪采用内送粉方式后,喷涂功率对YSZ热障涂层微观结构和性能有着独特的作用,高功率下制备的涂层结合强度反而较低。本文研究了内送粉等离子喷枪在高功率(42.5 kW)和低功率(33.6 kW)时距喷嘴出口90 mm处的粒子熔化状态(粒子温度、粒子飞行速度、粒度分布及扁平粒子形貌)。研究结果表明,采用高喷涂功率时,由于等离子射流较高的热焓值使粒子迅速熔化并细化成粒径较小的熔滴,熔滴在撞击基体前发生再凝固降低了扁平粒子间的粘结。涂层出现横向裂纹,结合强度平均值仅为22.58 MPa。采用小喷涂功率时,既能保证粒子熔化良好又不会导致粒子发生明显细化。涂层结合强度平均值为37.25 MPa,随试片弯曲180(°)后仅出现一处剥落,1100℃炉中保温10 min取出后迅速置于水中淬冷130次后,试片中部涂层完好,显示出良好的抗热震性能。