等离子喷涂法制备铝基体梯度陶瓷涂层的组织及性能研究

论文摘要

针对开发大功率铝合金活塞中,存在活塞端部温度高,局部应力集中,表面容易出现裂纹,热效率低,无法使大功率柴油发动机连续工作的实际,本论文利用等离子喷涂法在铝合金活塞表面喷涂Cu-Al2O3梯度陶瓷涂层,增加活塞表面的抗热震性和隔热性,降低活塞温度分布不均匀程度,缓解局部应力集中,减少燃气传递到冷却系统的损失,提高燃烧室温度,增加热效率,降低废气排放量。通过改变喷涂距离,调节氢气的压强等方法,得到了在铝基体上制备陶瓷梯度涂层的合理工艺参数；利用SEM、金相显微镜等手段分析了梯度涂层的成分分布和微观形貌；并对涂层的残余应力,结合强度、抗热震性能、孔隙率、隔热性能进行了测定,为今后铝基体上梯度涂层的设计和制备提供了理论依据。通过研究得到以下结论：铝表面喷涂梯度陶瓷涂层,喷涂距离、氢气流量与钢基体喷涂不同,喷涂距离以150mm为宜,氢气压力选择0.12MPa为宜；梯度涂层中,从基体至涂层表面,沿涂层厚度方向,Al2O3含量逐渐增多,Cu的含量逐渐减少,涂层各成分间并不存在明显的成分突变和由此产生的宏观层间界面,梯度涂层的组织表现出宏观的不均匀性和微观连续性的分布特征。过渡元素Cu的加入有效的缓解了涂层的残余应力,梯度涂层陶瓷工作面上的残余应力约为双层陶瓷涂层的1/4,在A1203含量为40%、60%的过渡层出现了有利于涂层结合强度的压应力。纯Cu粉末作为打底层,结合强度较低；NiAl粉末是良好的打底层材料,NiAl与铝基体的结合除机械嵌合外还存在着较大的冶金结合；随Al2O3含量的增加,结合强度呈递减趋势：1.3mm的梯度涂层涂层在400℃下热循环350次,未出现边缘的脱落；梯度过渡层的孔隙率随着Al2O3含量的增加而降低,表面纯陶瓷层孔隙率最高,为8.37%。梯度涂层有较好隔热性能,隔热温度随着纯Al2O3涂层厚度的增加而明显增大,随炉温的升高隔热温度升高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 铝活塞表面处理技术
• 1.2.1 发动机的新发展
• 1.2.2 铝活塞的表面陶瓷化技术
• 1.3 功能梯度材料
• 1.3.1 功能梯度的材料的简介
• 1.3.2 功能梯度材料的制备
• 1.3.3 功能梯度材料的应用及发展前景
• 1.3.4 梯度涂层
• 1.4 等离子喷涂技术
• 1.4.1 等离子喷涂原理
• 1.4.2 涂层的结合机理
• 1.4.3 等离子喷涂的特点
• 1.4.4 等离子喷涂分类
• 1.4.5 等离子喷涂设备
• 1.4.6 等离子喷涂工艺参数的确定
• 1.4.7 等离子喷涂的发展前景
• 1.5 涂层的性能检测
• 1.5.1 涂层性能的分类
• 1.5.2 涂层性能的检测方法
• 1.6 课题的研究目的及内容
• 1.6.1 课题的研究目的
• 1.6.2 课题的研究内容
• 1.7 课题技术路线
• 2 梯度涂层设计与制备
• 2.1 试验所用的设备及材料
• 2.2 涂层材料选择
• 2.2.1 涂层使用的工作环境和要求
• 2.2.2 涂层陶瓷材料的选择
• 2.2.3 过渡材料的选择
• 2.2.4 打底层材料的选择
• 2.3 涂层设计
• 2.4 涂层制备前的准备
• 2.5 梯度涂层制备
• 2.6 梯度涂层材料的确定及分析
• 2.7 本章小结
• 3 梯度涂层显微组织结构及残余应力研究
• 3.1 涂层的显微结构及成分分布
• 3.2 SEM形貌分析
• 3.3 涂层残余应力
• 3.3.1 涂层残余应力产生的原因
• 3.3.2 涂层残余应力的影响因素
• 3.4 钻孔法测量残余应力的原理
• 3.5 测量残余应力的设备及分析内容
• 3.6 试验结果
• 3.7 结果分析
• 3.7.1 涂层应变
• 3.7.2 材料物性的确定
• 3.7.3 梯度涂层残余应力分析讨论
• 3.8 本章小结
• 4 梯度涂层的性能研究
• 4.1 涂层的结合强度研究
• 4.1.1 涂层结合强度的分析方法
• 4.1.2 试验结果与分析
• 4.1.3 涂层与基体结合机理分析
• 4.1.4 梯度涂层结合强度的变化规律
• 4.2 涂层的抗热震性能研究
• 4.2.1 涂层抗热震性能的分析方法
• 4.2.2 抗热震温度的选择
• 4.2.3 热震试验
• 4.2.4 试验结果与分析
• 4.3 涂层的孔隙率研究
• 4.3.1 涂层孔隙率分析方法
• 4.3.2 研究结果与分析
• 4.3.3 涂层孔隙的形成机理
• 4.4 涂层的隔热性能研究
• 4.4.1 涂层的隔热性评价
• 4.4.2 试验装置
• 4.4.3 试验内容
• 4.4.4 实验结果与分析
• 4.5 本章小结
• 5 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录