基于高速摄影的自反应淬熄团聚粉飞行燃烧行为研究

含铁氧体成分的空心复相陶瓷微珠是一种新型轻质吸波材料。本文以Al-TiO2-Fe-Fe2O3-MnO2-蔗糖-环氧树脂为反应体系,经球磨、烘干、碳化、粉碎、筛分制成粒径为50-90μ的团聚粉,利用自反应淬熄技术熔射团聚粉获得了含铁氧体成分的空心复相陶瓷微珠。用SEM表征了淬熄前后团聚粉的形貌变化,通过高速摄影技术研究分析了团聚粉粒子在熔射过程中的飞行燃烧行为。试验结果表明,团聚粉粒子在飞行燃烧过程中经历受热蓄能、热释放与后燃烧三个阶段形成空心陶瓷熔滴,该熔滴在大过冷条件下凝固结晶最终形成空心陶瓷微珠。     

基于反应热喷涂技术制备空心陶瓷微珠

本文研究了一种基于反应热喷涂技术制备空心陶瓷微珠的方法与原理。以Al-CuO-Si-C为反应体系,基于传统火焰热喷涂原理和设备,熔射经团聚处理的自反应型复合粉体,使之在飞行过程中发生自蔓延高温合成反应,产生陶瓷雾化熔滴,采用温度可控的介质将其接收、冷却,使之快速凝固、结晶,从而获得中空结构、原位合成的空心陶瓷沉珠。实验结果表明,空心微珠以Cu-AlCu-SiC-莫来石等为主要组成相,为复相组织,表现为内部中空型（包括封闭中空和开口中空）和蜂窝型二种形式;Al-CuO间的系列自蔓延放热反应和高温火焰的辅助作用,形成陶瓷熔滴,C氧化反应产生的CO和CO2气体与有机物的高温汽化,在陶瓷熔滴快速凝固过程中遗留其中是空心陶瓷微珠形成的必要条件。     

电弧喷涂熔滴雾化效果及其熔滴飞行速率的影响

电弧喷涂的工艺参数决定了熔滴的飞行速率和温度,并进而决定了涂层性能。采用在线监测技术,本文系统研究了丝极直径、喷涂电流、喷涂距离对熔滴飞行速率及温度的影响;并进一步采用直观观察的方法观察熔滴形态,分析了丝极直径及喷涂电流对雾化效果的影响。     

等离子喷涂陶瓷颗粒的扁平化转变机制

我们之前对热喷涂金属粒子的扁平化转变行为进行了系统研究,并提出了形成机制假设:由于超快速冷却而优先在熔滴底部形成的冷却晶体结构决定着圆饼状熔滴的形成。为了验证这一机制是否适用其他材料,选取了几种具有不同热性能的陶瓷材料来进行对比。采用等离子喷涂技术分别将Al_2O_3、Y_2O_3和YSZ喷涂到AISI304不锈钢基体上,对圆饼状熔滴百分比随基体温度变化规律进行了研究,并对熔滴的横截面形貌也进行了观察。结果表明,在Al_2O_3和Y_2O_3熔滴底部均存在独特的非晶和冷晶结构,说明这些材料中圆饼状熔滴形成机制与金属中的相似。另一方面,在YSZ熔滴中却只有柱状晶结构,故圆饼状颗粒的形成机制假设只是适用于部分材料。     

组合雾化过程中熔滴的飞行动力学与热历史的数值模拟

采用数值模拟方法研究组合雾化过程中熔滴的飞行动力学以及冷却凝固过程与熔滴随飞行距离的变化关系,模拟过热度和旋转盘转速对熔滴飞行和冷却凝固的影响规律。结果表明:在组合雾化过程中,熔滴尺寸显著影响熔滴的动力学和热历史过程,熔滴越小,速度变化越快,飞行距离越短。过热度对于熔滴的冷却凝固影响不明显,但大的过热度会延缓熔滴的凝固过程。因此,大的过热度不利于雾化室的设计。旋转盘的旋转速度对于熔滴热历史的影响稍大于过热度的影响,高转速可以缩短熔滴冷却凝固过程的飞行距离。通过测量二次枝晶间距,推算出实验制得粉末的冷却速率范围为10~3~10~6 K/s,与数值计算的结果基本一致。     

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。     

铈锆酸镧涂层高温时效行为和热震性能研究

采用等离子喷涂制备了铈锆酸镧涂层,采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射分析(XRD)、图像分析法等研究了喷涂功率对沉积态涂层表面和截面微观结构、孔隙率等的影响规律,研究了涂层在1200℃、1300℃高温100h时效下相稳定性、微观结构、孔隙率的变化,比较了不同喷涂功率涂层的抗热震性能。研究结果表明:随着等离子喷涂功率的增加,喷涂过程中半熔融颗粒比例减小,涂层的孔隙率减小。涂层经1200℃、1300℃高温保温100 h后仍然具有单一的烧绿石结构,随着热处理温度升高,涂层孔隙率减小。研究了不同功率喷涂的涂层从1250℃到冷水中的热震行为,失效机制分析表明:陶瓷层与粘结层热应力不匹配造成陶瓷层底部产生裂纹是导致涂层失效的主要方式。     

等离子喷涂Mo包覆Ni20Cr自粘结粉末制备的粘结层结合性能

针对如何提升金属粘结层结合强度的问题,本研究提出了使用Mo包覆Ni20Cr复合粉末作为新型粘结层材料的方法。高熔点Mo包覆层可以减少喷涂过程中核芯元素的蒸发,在大气等离子喷涂条件下获得超高温熔滴,有助于涂层与基体以及涂层内部实现冶金结合。采用机械合金化法制备了Mo包覆Ni20Cr复合粉末,并在大气等离子喷涂条件下制备涂层考察其结合强度。通过一维传热模型预测了镍基合金熔滴碰撞在镍基合金、奥氏体不锈钢和低碳钢基体上实现铺展熔合冶金自结合所需要的温度,采用DPV-2000测试系统对粒子飞行过程中的温度进行测量,使用扫描电子显微镜(SEM)对涂层的微观结构进行了表征。粒子温度测量结果表明,在大气等离子喷涂条件下,Ni20Cr-Mo熔滴可加热至2620℃以上,满足碰撞铺展过程中引起基体表面熔化而产生冶金结合的温度条件。涂层结合强度拉伸试验中所有试样都从胶中断裂,涂层结合强度大于76.1 MPa。组织观察结果表明涂层组织结构致密,不仅大量粒子层界面间产生了冶金结合,涂层与基体界面处也观察到一定深度的熔坑,表明涂层与基体以及涂层层间界面均实现了冶金结合,由此显著提高了结合强度。     

高超音速火焰喷涂粒子飞行行为研究

以高超音速火焰喷枪为研究对象,采用计算流体力学软件Fluent对高超音速火焰喷涂(HVOF)过程中的焰流流场以及粒子飞行过程进行数值模拟。HVOF系统以氧气为助燃气体,煤油为燃料。研究了加入粒子前喷枪内火焰焰流温度、速度和压力分布规律,采用离散相模型计算喷涂粒子的动力学飞行行为,探究了粒子大小、注入速度、球形度对粒子飞行行为的影响。发现最佳粒子粒径范围应为30～50 μm,在此范围内粒子均匀的分布在焰流中心,且为熔融状态,更易形成结合强度较高的涂层;小粒径粒子最佳注入速度为10～15 m·s?1,中等粒径粒子最佳注入速度为5～10 m·s?1,大粒径粒子最佳注入速度为1～5 m·s?1;与球形颗粒相比,非球形颗粒具有较高的阻力系数,在飞行过程中获得更大的动能和更少的热量。      

激光熔覆陶瓷颗粒增强金属基复合材料研究进展

陶瓷增强金属基复合材料(MMCs)因其优异的耐磨性、韧性、高温蠕变性能和疲劳强度,已被广泛应用于生物医学、航空航天、电子等高端工程行业。激光熔覆是在基体表面,利用激光束使陶瓷及其他特殊粉末与基体表层融化,并自激冷却形成冶金结合涂层的环保新技术,具有沉积效率高、厚度可控、热变形小、冷却快、稀释率小以及冶金结合等优点。本文介绍了激光熔覆陶瓷颗粒的形成方式对MMCs性能的影响,随后讨论了激光熔覆辅助能场及高速激光熔覆技术对MMCs的界面强化效应,并分析了陶瓷颗粒的强化机制和激光辅助能场的作用机制。最后,对目前激光熔覆陶瓷颗粒增强基金属复合材料研究的发展进行了展望。