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等离子喷涂-激光重熔陶瓷涂层存在问题及改进措施

时间:2019-12-25 14:54:26  来源:  作者:

 等离子喷涂是目前国内、外最常用的金属表面陶瓷涂层技术, 但涂层的组织呈粗大的片层状、孔隙度较高、裂纹较多, 且涂层与基材间为机械结合.等离子喷涂层的激光重熔为这一技术难题的解决提供了一条新的途径, 使陶瓷材料的优异性能充分发挥出来。由于陶瓷材料的耐热冲击性差、断裂韧性值低, 因此在激光重熔过程中的急剧加热、冷却条件下易产生裂纹.陶瓷材料的熔点大大高于金属基体, 且它们之间的热膨胀系数、弹性模量和导热系数等物理参数相差很大, 在激光辐照后所形成的熔池区域的温度梯度很大, 由此产生的热应力容易导致涂层产生裂纹或剥落.等离子喷涂陶瓷层和金属基体之间只限于机械结合, 热导率低的陶瓷因局部加热而容易剥落, 特别是喷涂层未熔透时, 更容易剥落。另外,金属基体的熔体与陶瓷材料熔体之间的相容性较差, 也易出现裂纹和孔洞,熔融陶瓷的粘度高, 膨胀的气体不易溢出。因此,裂纹的产生和涂层的剥落是激光重熔等离子喷涂陶瓷涂层最棘手的问题.为了获得质量优异、无缺陷或少缺陷的激光重熔涂层, 一方面应从理论上对作为激光熔覆技术理论基础的快速凝固理论及复合涂层界面精细结构作深入的研究, 揭示激光重熔过程的本质;另一方面, 应从工艺上对涂层的构成与质量进行控制与改进, 或加入某种添加剂降低陶瓷涂层与基体之间的物理性能的差异( 如线膨胀系数、弹性模量等),以减少熔覆后的热应力和组织应力。可采取以下几种措施改善陶瓷涂层的性能。将陶瓷粉末与金属粉末混合、或采用包覆陶瓷粉末进行等离子喷涂, 然后进行激光重熔, 形成金属陶瓷涂层。在设计这类复合涂层时, 除了考虑涂层的使用性能外, 还应该考虑陶瓷颗粒与合金基体之间物理性能的匹配、陶瓷颗粒与液态金属之间的润湿及化学反应、涂层与基材间的界面结合等, 以获得复合组元之间物理力学性质的最佳组合.采用金属粘结相缩小了涂层材料与金属基材间热膨胀系数、弹性模量等物理性能差别, 提高了与基材的润湿能力, 显著地减小了激光熔覆层的开裂敏感性.虽然牺牲了部分陶瓷材料的优异性能, 但仍有巨大的应用价值。采用NiAlNiCrAlNiCrAlYCoCrAlY等塑性较好的合金为过渡层, 形成复合涂层, 过渡合金的采用减缓了涂层中的应力集中, 降低了涂层的开裂倾向。梯度涂层亦称成分渐变涂层,它克服了单一或复相涂层的缺点, 如涂层与基体的匹配等。为了解决纯陶瓷涂层中的裂纹及与金属基体的高强结合, 使用中间过渡层并在陶瓷层中加入低熔点高膨胀系数的CaO, SiO2, TiO2等缓冲相可以松弛应力, 减少裂纹的形成, 提高涂层质量。作为热障涂层材料应具备的性质中, 最重要的是具有低的热导率和高的热膨胀系数。这一要求使研究的注意力更多地集中在ZrO2涂层上, 因为在陶瓷材料中ZrO2与金属的热膨胀系数最为接近,且热导率最低, 是理想的热障涂层材料.ZrO2陶瓷等离子喷涂层激光重熔的研究发现,重熔后的ZrO2涂层致密、无孔隙, 但熔化层有横向裂纹;如果选择合适的激光参数, 并在ZrO2中添加质量分数为2.8%SiO2, 可有效地抑制裂纹的产生。这是由于SiO2的热膨胀系数远小于部分稳定的ZrO2, 在激光重熔时,含有SiO2ZrO2熔体的热膨胀系数降低, 熔化层的热应力减少, SiO2也提高了涂层的断裂强度。此外,大部分SiO2在冷却后以游离态塞积在涂层空隙处,可阻碍裂纹扩展,使涂层性能提高.在激光重熔YSZ陶瓷等离子喷涂层时, 喷入Al2O3粉末有效的抑制了裂纹的产生, 降低了裂纹率, 取得了较好的效果。另外,等离子喷涂Al2O3陶瓷涂层时加入适量的TiO2,不仅可提高等离子喷涂层的韧性和耐磨性能,而且激光重熔层的韧性和耐磨性能也得到了明显的改善。


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