树脂基复合材料用陶瓷涂层防护性能分析

采用等离子喷涂铝粉作为打底材料在碳纤维增强聚酰亚胺复合材料（PMC）基体上制备了Al2O3和ZrO2轻质陶瓷防护涂层，测试了涂层的剪切结合强度、耐热循环性能、抗冲蚀性能、隔热性能。结果表明，等离子喷涂铝粉作打底层的涂层系统，性能优于电弧喷铝或电弧喷锌作打底层的涂层系统。带有Al2O3涂层的试样失重不到基体材料失重的1／3，Al2O3和ZrO2陶瓷涂层都可以为聚酰亚胺复合材料基体提供有效的冲蚀防护。Al2O3和ZrO2陶瓷涂层都可以为聚酰亚胺复合材料基体提供有效的隔热防护，ZrO2涂层隔热性能优于Al2O3涂层。     

S135钻杆材料等离子喷涂Al2O3-TiO2涂层组织与性能

目的选用石油钻井工程中常用的S135钻杆钢作为研究对象,在不破坏S135钢优异力学性能基础上,在S135钢基体上等离子喷涂Al2O3-TiO2涂层,研究喷涂功率对涂层的组织与性能的影响。方法在25、30、42 kW三种喷涂功率下,于S135钻杆材料基体表面制备Al2O3+TiO2涂层,对涂层表面进行SEM形貌观察及XRD物相分析,对端面进行金相组织观察,并测定不同位置的显微硬度,借助于材料表面性能试验仪进行涂层与基体结合强度测定,对不同功率下的喷涂涂层的组织、形貌及性能进行比较。结果在三种功率条件下,涂层由α-Al2O3、γ-Al2O3、Al2TiO5及TiO2组成。随着喷涂功率的增加,涂层中γ-Al2O3、Al2TiO5的含量增加;粘结层中气孔、裂纹等缺陷减少,孔隙率下降。在42 kW喷涂功率下,涂层与基体的结合强度达到92 N。在热喷涂过程中,由于正火作用,靠近喷涂界面的S135基体的晶粒得到细化。涂层表面的硬度都高于粘结层及基体,在喷涂功率为30 kW时,涂层表面的硬度达到1419.6 HV。结论通过改变喷涂功率,可在S135钻杆材料上得到具有较高硬度、与基体结合强度较高的Al2O3-TiO2涂层。     

Cold Gas-Sprayed Deposition of Metallic Coatings onto Ceramic Substrates Using Laser Surface Texturing Pre-treatment

Cold spraying enables a variety of metals dense coatings onto metal surfaces. Supersonic gas jet accelerates particles which undergo with the substrate plastic deformation. Different bonding mechanisms can be created depending on the materials. The particle–substrate contact time, contact temperature and contact area upon impact are the parameters influencing physicochemical and mechanical bonds. The resultant bonding arose from plastic deformation of the particle and substrate and temperature increasing at the interface. The objective was to create specific topography to enable metallic particle adhesion onto ceramic substrates. Ceramic did not demonstrate deformation during the impact which minimized the intimate bonds. Laser surface texturing was hence used as prior surface treatment to create specific topography and to enable mechanical anchoring. Particle compressive states were necessary to build up coating. The coating deposition efficiency and adhesion strength were evaluated. Textured surface is required to obtain strong adhesion of metallic coatings onto ceramic substrates. Consequently, cold spray coating parameters depend on the target material and a methodology was established with particle parameters (diameters, velocities, temperatures) and particle/substrate properties to adapt the surface topography. Laser surface texturing is a promising tool to increase the cold spraying applications.     

Q345R板材表面冷喷涂Al-Zn涂层的组织及性能研究

目的 研究添加元素Zn含量的变化对涂层的显微组织、孔隙率、硬度及涂层-基体间界面结合强度等的影响规律.方法 采用冷喷涂技术在Q345R板材表面制备性能优良的纯Al和Al-Zn复合涂层,通过扫描电子显微镜对涂层的形貌进行分析,通过维氏显微硬度计对涂层的力学性能进行表征,并揭示涂层与基体间的界面结合机理.结果 冷喷涂纯Al...     

爆炸喷涂工艺参数对AlCuFeSc准晶涂层力学性能的影响

目的 研究爆炸喷涂工艺参数对AlCuFeSc准晶涂层力学性能的影响规律,进一步提升铝合金表面AlCuFeSc准晶涂层的性能。方法 采用爆炸喷涂工艺制备准晶涂层,以正交试验方法对爆炸喷涂氧燃充枪比、喷涂距离、喷涂频率3个影响涂层性能的关键参数进行优化。借助显微硬度计、拉力试验机研究涂层的力学性能。采用SEM、XRD、EDS等手段表征粉末及涂层的微观物相结构。结果 在试验参数范围内,以涂层的表面硬度和结合强度性能为主要判定指标,各因素对涂层性能的影响从大到小依次为氧燃充枪比、喷涂距离、喷涂频率。综合考量涂层表面硬度和结合强度2个指标,得到了AlCuFeSc涂层的最佳制备工艺,氧燃充枪比为56%,喷涂距离为210 mm,喷涂频率为1次/s。在该最佳工艺参数下制备的准晶涂层致密且与铝合金基体结合良好,涂层表面硬度为583.4HV0.3,结合强度为63.24 MPa,孔隙率为0.648%,准晶相的含量为69%。结论 采用最佳工艺参数制备的AlCuFeSc准晶涂层相较于非最佳工艺参数喷涂涂层,其性能得到较大提高,可为未来准晶涂层的应用提供参考。     

CuCrZr合金表面等离子喷涂Cr3C2-NiCr及NiAl/Cr3C2-NiCr涂层的结合性能

在CuCrZr合金表面等离子喷涂Cr3C2-NiCr涂层、NiAl/Cr3C2-NiCr复合涂层.测试涂层与基体间的结合强度及涂层的热震性能,结合SEM,EDS和XRD等分析涂层物相变化,探讨涂层的结合机理.结果表明,涂层的结合强度均较高;Ni-Al发生放热反应,生成Al4Ni3,Al3Ni2,AlNi3,剩余的铝与铜反应生成Cu3Al2,CuAl2,CuAl,局部区域形成微冶金结合;二种涂层均以机械锚合为主,在参数适合且基体相同的情况下,涂层结合强度取决于涂层材料的力学性能;相同试验条件下,NiAl/Cr3C2-NiCr复合涂层的热震性能优于Cr3C2-NiCr涂层.     

Al-Ni复合涂层的结合强度及耐蚀性能研究

目的 研究冷喷涂Al-Ni复合涂层的结合强度和耐蚀性能,尝试通过在Q345R钢材表面制备防护涂层的方法来改善Q345R钢的服役寿命。方法 采用冷喷涂技术在Q345R板材表面制备纯Al涂层和Al-Ni复合涂层,利用SEM观察、拉伸试验、腐蚀质量损失试验和EIS测试等技术,测试与分析涂层的结合强度和耐蚀性能,研究Ni粉的含量对涂层的孔隙率、显微组织、涂层–基体间结合强度和耐蚀性能的影响规律。结果 涂层与Q345R钢结合良好,在500倍电子显微镜下,界面处没有观察到明显的孔洞与裂纹。由于Ni颗粒的夯实作用,Al-Ni复合涂层的致密性有所提高。相比纯Al涂层,Al-10Ni复合涂层的界面结合强度有略微提升,断裂失效形式为典型的界面粘结断裂。Al-15Ni复合涂层的界面结合强度提升明显,其强度为31 MPa。腐蚀结果显示,纯Al涂层和Al-Ni复合涂层的腐蚀质量损失率较基体材料Q345R钢都明显降低,耐蚀性能有所提升。其中纯Al涂层的耐蚀性最好,腐蚀质量损失率为0.26 g/(cm²·a),而Q345R基体的腐蚀质量损失率为2.95 g/(cm²·a)...     

冷喷涂SiC/Al纳米复合涂层的组织结构与性能

为制备基体相晶粒细小、增强相均匀分布的SiC/Al纳米复合涂层,以Al、SiC为原料,采用高能球磨法获得SiC颗粒弥散分布的纳米晶Al基复合材料粉末,利用冷喷涂技术低温成型制备了SiC/Al纳米复合涂层,分析了SiC含量对复合涂层相结构、晶粒尺寸、微观结构、硬度及磨损性能的影响规律。结果表明：冷喷涂可实现球磨纳米晶复合粉末结构的原位移植,所制备SiC/Al纳米复合涂层组织致密,微米及亚微米级SiC弥散分布在纳米晶Al（约80 nm）基体之上;SiC颗粒对Al基体有明显强化作用,冷喷涂SiC/Al纳米复合涂层的硬度随SiC体积分数的增加而显著增加,50% SiC/Al纳米复合涂层的硬度高达515 HV_0.3,约为Al块材的13倍;冷喷涂SiC/Al纳米复合涂层的耐磨损性能随着SiC含量增加而显著提高,涂层磨损失效机制为磨粒对基体的切削犁沟变形。     

冷喷涂设备及冷喷涂技术应用研究进展

冷喷涂技术相比于传统热喷涂技术有许多优势,例如喷涂温度低,涂层氧含量低,孔隙率低,在喷涂过程中不易发生氧化、烧损、相变等现象,这使得传统喷涂技术难以制备的氧敏感、热敏感、非晶、纳米材料涂层成为可能。从冷喷涂技术原理出发,介绍了各类冷喷涂设备及冷喷涂涂层的沉积机理,详细阐述了冷喷涂涂层结合机理和结合方式(机械咬合、物理结合、冶金结合、化学结合),介绍了各类冷喷涂装备(高压和低压冷喷涂系统、真空冷喷涂系统、激光辅助冷喷涂系统、静电辅助冷喷涂系统、脉冲气体冷喷涂系统和激波风洞冷喷涂系统)及其研究现状。综述了近几年冷喷涂技术在防腐涂层、耐磨涂层、生物医用、抗菌涂层、电子工业、功能涂层、修复与再制造等领域的研究和应用现状,最后对冷喷涂技术的应用和发展前景进行了展望。     

Residual stress development in cold sprayed Al,Cu and Ti coatings

Residual stresses play an important role in the formation and performance of thermal spray coatings. A curvature-based approach where the substrate–coating system deflection and temperature are monitored throughout the coating deposition process was used to determine residual stress formation during cold spray deposition of Al, Cu and Ti coatings. The effect of substrate material (carbon steel, stainless steel and aluminium) and substrate pre-treatment (normal grit blasting, grit blasting with the cold spray system and grinding for carbon steel substrate) were studied for all coating materials with optimized deposition parameters. Mainly compressive stresses were expected because of the nature of cold spraying, but also neutral as well as tensile stresses were formed for studied coatings. The magnitudes of the residual stresses were mainly dependent on the substrate/coating material combination, but the surface preparation was also found to have an effect on the final stress stage of the coating.     

等离子喷涂铝电解可湿润TiB2阴极涂层研究进展

铝电解工业越来越多的采用石墨阴极,石墨阴极具有良好的导电性能,但石墨不被铝液湿润且和铝液形成Al4 C3,导致铝电解槽运行寿命短.可湿润TiB2涂层阴极因节能和延长槽寿命能够给铝电解工业带来显著效益.等离子喷涂是一种高效、灵活的沉积涂层的方法 ,能够在形状复杂或大表面积的基体上沉积金属间化合物、陶瓷或复合材料,涂层厚度可从数微米到数毫米.等离子喷涂制备可湿润性TiB2涂层阴极是可行有效的方法 ,本文评述了等离子喷涂制备可湿润TiB2阴极涂层的研究进展,简述了等离子喷涂工艺受到的影响因素(包括粉末性质、基体表面形貌和焰流性质)和涂层与基体材料结合的机制(包括机械结合、冶金结合和物理结合),分析和讨论了TiB2粉末制备、基体预处理、等离子喷涂工艺参数、涂层显微结构和性能等.最后,指出了等离子喷涂制备可湿润性TiB2涂层阴极工艺将来研究需要解决的几个关键问题.     

冷喷涂制备金属涂层及其在增材制造应用中的研究进展

冷喷涂由于具有粉末加热温度低、涂层中氧含量及孔隙率较常规热喷涂涂层显著降低等特点,而广泛应用于制备各种类型的涂层或块体材料。近年来,冷喷涂设备及工艺的改善使其在增材制造和零件修复方面也具有极大的应用前景。综述了冷喷涂制备高性能软质相金属和硬质相金属/非金属涂层的研究进展,重点围绕原始颗粒结构、冷喷涂工艺参数、添加第二相和后处理手段对涂层制备及性能优化的效果进行总结,并对冷喷涂制备复合涂层的结合机理进行了阐述,包括软质相颗粒形成单一涂层和添加硬质相颗粒复合涂层的结合机理,且涂层中颗粒之间的结合主要为机械结合、物理结合、冶金结合和化学结合中的一种或多种结合形式。同时,介绍了冷喷涂技术在增材制造领域和零件修复方面的研究进展和存在的问题。最后,分析总结了冷喷涂的应用前景和存在的问题。     

Bonding mechanism in cold gas spraying

Cold gas spraying is a relatively new coating process by which coatings can be produced without significant heating of the sprayed powder. In contrast to the well-known thermal spray processes such as flame, arc, and plasma spraying, in cold spraying there is no melting of particles prior to impact on the substrate. The adhesion of particles in this process is due solely to their kinetic energy upon impact. Experimental investigations show that successful bonding is achieved only above a critical particle velocity, whose value depends on the temperature and the thermomechanical properties of the sprayed material. This paper supplies a hypothesis for the bonding of particles in cold gas spraying, by making use of numerical modelling of the deformation during particle impact. The results of modelling are assessed with respect to the experimentally evaluated critical velocities, impact morphologies and strengths of coatings. The analysis demonstrates that bonding can be attributed to adiabatic shear instabilities which occur at the particle surface at or beyond the critical velocity. On the basis of this criterion, critical velocities can be predicted and used to optimise process parameters for various materials.     

热处理对冷喷涂Fe涂层组织与性能影响研究

冷喷涂作为一种新型的涂层技术,在制备大部分金属涂层、金属陶瓷复合涂层方面有着巨大的潜力。本文采用冷喷涂在Al基体上制备了Fe涂层,并结合喷涂后热处理研究了涂层组织与性能特点。结果表明,所得Fe涂层的内部组织比较致密;受到喷涂过程中空气的影响,喷涂射流呈现亮流,所制备涂层表面有较大、较深气孔。在较低温度下热处理后Fe涂层的显微组织变化不明显,显微硬度明显降低;Fe涂层与Al基体之间形成约10μm厚度的金属间化合物层。     

铝合金表面等离子喷涂Al2O3-3%TiO2复合涂层工艺参数优化的研究

目的 通过优化等离子喷涂工艺参数，提高铝合金表面等离子喷涂Al2O3-3%TiO2复合陶瓷涂层的结合强度和涂层表截面硬度。方法 用正交试验法，对影响喷涂涂层结合强度和硬度的4个关键喷涂参数进行优化，分别得到喷涂粘结底层Ni-5Al和工作表层Al2O3-3%TiO2的最佳优化参数。结果 通过正交试验确定影响Ni-5Al涂层综合指标的因素由主到次是喷涂电流、喷涂距离、辅气流量、主气流量，最优水平数为2、3、2、1；影响Al2O3-3%TiO2涂层综合指标的因素由主到次是喷距、辅气流量、电流、主气流量，最优水平数为2、3、2、1。Ni-5Al涂层的最佳喷涂工艺参数为：喷涂距离120 mm，喷涂电流520 A，主气流量42 L/min，辅气流量7.5 L/min。Al2O3-3%TiO2复合涂层最佳喷涂工艺参数为：喷涂距离90 mm，喷涂电流530 A，主气流量46 L/min，辅气流量7.8 L/min。最佳工艺下制备的Ni-5Al底层与基体的结合强度为25.2 MPa，Al2O3-3%TiO2复合涂层与Ni-5Al底层的结合强度为17.8 MPa，且其截面硬度在1000HV0.5以上。结论 对喷涂工艺参数进行优化可以得到质量高且稳定的Al2O3-3%TiO2复合喷涂涂层，与非最佳工艺参数喷涂涂层相比，各指标均有较大提高。     

TiAl球磨粉反应等离子喷涂工艺

为制备Ti-Al金属间化合物复合涂层,采用Ti、Al球磨粉在Q235钢表面进行反应等离子喷涂研究,获得了由Al3Ti、TiN、Al2O3、TiAl以及残留Al和Ti组成的复合涂层。虽然球磨可以使Ti-Al混合粉细化与活化,使喷涂时的反应更容易、更充分,但喷涂时Al和Ti仍难以充分反应,且在空气环境中喷涂容易氧化和氮化。涂层与基体之间没有形成冶金结合,而是镶嵌式的机械结合。其结合强度最高值达到了44.75MPa,显微硬度最高值达到了379HV0.5。文中还分析了反应等离子喷涂各工艺参数对涂层组织与性能的影响,并采用正交试验对其在一定范围内进行了优化。得到优化的工艺参数为:喷涂距离为120mm、主气流量为35L/min、喷涂电流为600A、球磨时间为6h。     

不锈钢表面冷喷涂铜涂层组织和性能研究

采用冷喷涂技术在不锈钢表面喷涂纯铜涂层;涂层的断面形貌和硬度分别通过光学金相显微镜观察和显微硬度计测试,同时研究了涂层的结合机理.结果表明,粉末在沉积过程中存在低速粒子,部分低速粒子沿原路径反弹后影响其他粒子的沉积;纯铜涂层与基体的结合为机械结合;涂层内部兼有部分冶金结合;涂层的硬度分布较均匀,且高于纯铜的硬度.     

原位微锻造冷喷涂制备高致密铝基涂层及耐腐蚀性能

目的提出一种基于原位微锻造冷喷涂制备高致密度金属沉积体的新方法,旨在为镁合金腐蚀防护提供一种低成本的涂层制备方法。方法通过在Al喷涂粉末中混入20%～60%(体积分数)的大粒径喷丸颗粒,借助其在喷涂过程中对已沉积Al涂层的原位微锻造效应,实现Al涂层制备中的实时致密化,研究了原位微锻造强度对涂层显微组织及耐腐蚀性能的影响规律。采用SEM分析了涂层的显微结构,采用电化学测试及长期浸泡试验测试了涂层的耐腐蚀性能。结果随着微锻造强度的提高,金属沉积体的致密度逐渐增加,当混合粉末中的喷丸颗粒含量高于40%时,可获得孔隙率低于0.3%的高致密度Al涂层。电化学测试及长达1000 h的Na Cl溶液浸泡腐蚀结果显示,高致密度Al涂层包覆后的镁合金表现出与冶金块材铝相当的耐腐蚀性能,比无保护镁合金腐蚀速率降低两个数量级以上;在1000h的盐雾腐蚀后,涂层与基材界面无腐蚀产物生成,表明涂层可完全对腐蚀介质进行物理隔绝。同时,致密铝涂层表面形成了微米级的钝化膜,可进一步提高耐腐蚀性能。结论通过原位微锻造辅助冷喷涂技术,可在较低的气体温度和气体压力条件下在镁合金表面获得完全致密的Al腐蚀防护涂层。该技术还有望用于诸如高导热、高导电涂层的制备,金属构件修复及增材制造等其他对金属沉积体有致密度要求的领域。     

Influence of process conditions in laser-assisted low-pressure cold spraying

A laser-assisted low-pressure cold spraying (LALPCS) is a one-step coating process in which the laser irradiation interacts simultaneously with the spraying spot on the substrate or deposited coating surface in order to improve coating properties. It is expected that the LALPCS could be an effective method to improve a low-pressure cold sprayed coating deposition efficiency and denseness. The purpose of the additional energy from the laser beam is to create denser and more adherent coatings, enhance deposition efficiency and increase the variety of coating materials.In this study copper and nickel powders with additions of alumina powder were laser-assisted low-pressure cold sprayed on carbon steel. Coatings were sprayed using air as process gas. A 6 kW continuous wave high power diode laser and a low-pressure cold spraying unit were used in the experiments. The influence of laser energy on coating microstructure, density and deposition efficiency was studied. The coatings were characterized by optical microscopy and SEM. The coating denseness was tested with open cell potential measurements. Results showed that laser irradiation improved the coating denseness and also enhanced deposition efficiency.     

AZ91D镁合金等离子喷涂Ni-Al/陶瓷涂层的组织和性能

以Ni-Al为粘结层,在AZ91D镁合金基体上等离子喷涂Ni-Al/Al2O3、Ni-Al/Al2O3-13%TiO2(Ni-Al/AT13)、Ni-Al/Al2O3-20%TiO2(Ni-Al/AT20)复合涂层及Ni-Al/Al2O3/Al2O3-13%TiO2/Al2O3-20%TiO2(Ni-Al/Al2O3/AT13/AT20)梯度涂层,利用SEM、EDS和XRD分析涂层的微观组织特征,通过硬度、拉伸和热震实验研究涂层硬度、结合强度和抗热震性能,并与直接喷涂Al2O3、AT20的涂层进行比较。结果表明:Ni-Al粘结层因"自粘结"效应与基体形成较为致密并具有冶金结合的界面,且与Al2O3、AT13和AT20陶瓷层互有渗透、交叉和啮合,涂层致密性及结合力大为提高,表现出优良的抗热震性能。Al2O3涂层主要由亚稳态γ-Al2O3组成,AT20涂层以Al2O3和Al2TiO5为主。镁合金表面喷涂Al2O3陶瓷层后硬度大幅提高,由于加入TiO2,AT13和AT20涂层的硬度略低于Al2O3涂层的。Ni-Al/Al2O3-TiO2复合陶瓷的涂层结合强度高于Ni-Al/Al2O3单一陶瓷涂层的,而Ni-Al/Al2O3/AT13/AT20梯度涂层的结合强度比Ni-Al/AT20涂层的更高。