30CrMnSi钢表面激光熔覆热障涂层的组织结构与性能研究

论文摘要

本文采用激光熔覆工艺制备了双层非梯度ZrO2-8wt.%Y2O3（YSZ）热障涂层、三层梯度热障涂层和五层梯度热障涂层,优选出不同结构热障涂层的最佳激光工艺参数。采用X射线衍射仪（XRD）、电子探针（EPMA）、扫描电镜（SEM）等手段对三种涂层的组织结构和涂层裂纹的产生机理进行了研究,并测试了三种热障涂层的隔热和热震性能。对激光熔覆工艺试验进行优化的研究结果表明:激光熔覆金属粘结层NiCoCrAlY涂层的工艺参数为1000W, 700mm/min,搭接率30%;激光熔覆不同金属-陶瓷过渡层（75%NiCoCrAl/25%YSZ、50%NiCoCrAl/50%YSZ、25%NiCoCrAl/75%YSZ）的工艺参数分别为1200W,600mm/min、1400W,600mm/min和1600W,600mm/min,搭接率均为30%;激光熔覆陶瓷面层YSZ涂层的工艺参数为1700W, 700mm/min,搭接率为50%。YSZ涂层表面呈黑色镜面状,表面平整,宏观无明显气孔、裂纹。对激光熔覆不同结构热障涂层的组织结构分析表明:不同热障涂层的陶瓷面层的相结构由c-ZrO2和t-ZrO2构成。与双层非梯度热障涂层相比,多层梯度热障涂层中没有大量的纵向和横向的裂纹,且陶瓷层与相邻涂层间没有断层现象,陶瓷层结合更加致密。随着不同金属/陶瓷过渡层的加入,缓解了金属和陶瓷涂层之间由于热膨胀系数的差异而导致的热失配,减少了拉应力。三种热障涂层的陶瓷层中的裂纹均产生于陶瓷层的成分偏析处。在金属粘结层中定向生长的镍基合金枝晶组织,对改善热障涂层隔热性能有利。三种热障涂层中以五层梯度涂层的隔热效果最好,主要由于不同金属/陶瓷过渡层中加入了梯度分布的YSZ陶瓷,降低热量在陶瓷顶层和金属/陶瓷过渡层中的热扩散过程,从而使得整个涂层的热导率下降。三层和五层梯度热障涂层的抗热震性能同两层非梯度热障涂层相比分别提高了3倍和7倍,说明涂层结构设计和加入的不同金属/陶瓷成分比例的过渡层起到了改善涂层中由于热膨胀系数不同而引起的热应力的现象。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究目的
• 1.2 热障涂层的结构体系
• 1.3 热障涂层的材料体系
• 1.3.1 陶瓷层材料
• 1.3.2 粘结层材料
• 1.4 热障涂层制备方法的发展
• 1.4.1 热喷涂法
• 1.4.2 EB-PVD法
• 1.4.3 激光熔覆法
• 1.5 激光熔覆工艺的研究
• 1.5.1 激光熔覆工艺的原理及特点
• 1.5.2 激光熔覆工艺
• 1.5.3 激光熔覆层的组织特征
• 1.5.4 激光熔覆目前存在的问题
• 1.6 本论文的主要研究内容
• 第2章 试验材料、方法和设备
• 2.1 试验材料
• 2.1.1 基体材料
• 2.1.2 热障涂层材料
• 2.1.3 物性参数预测
• 2.2 热障涂层结构
• 2.3 激光熔覆试验
• 2.3.1 试验设备
• 2.3.2 工艺过程
• 2.3.3 熔覆材料供给方式
• 2.3.4 工艺参数
• 2.4 组织结构分析
• 2.4.1 金相试样制备与观察
• 2.4.2 扫描电子显微镜（SEM）分析
• 2.4.3 X射线衍射仪（XRD）分析
• 2.5 性能测试
• 2.5.1 涂层厚度的检测
• 2.5.2 涂层隔热温度检测
• 2.5.3 涂层抗热震性能检测
• 第3章 30CrMnSi钢表面激光熔覆热障涂层工艺参数优化
• 3.1 引言
• 3.2 试验用粉末原始形貌观察
• 3.3 三种热障涂层的结构
• 3.4 NiCoCrAlY涂层激光熔覆工艺试验
• 3.4.1 单道激光熔覆工艺试验
• 3.4.2 多道搭接激光熔覆工艺试验
• 3.5 YSZ涂层激光熔覆试验
• 3.5.1 激光单道熔覆工艺试验
• 3.5.2 多道搭接激光熔覆工艺试验
• 3.6 混合粉末激光熔覆工艺试验
• 3.7 激光熔覆十字工艺
• 3.8 本章小结
• 第4章 30CrMnSi钢表面激光熔覆热障涂层的组织结构与性能
• 4.1 引言
• 4.2 30CrMnSi钢表面激光熔覆热障涂层表面形貌
• 4.3 30CrMnSi钢表面激光熔覆热障涂层的组织结构分析
• 4.3.1 30CrMnSi 钢表面激光熔覆热障涂层的结构
• 4.3.2 陶瓷涂层的组织
• 4.3.3 粘结层的组织
• 4.4 热障涂层的相分析
• 4.5 30CrMnSi钢表面激光熔覆热障涂层的性能
• 4.5.1 热障涂层的隔热性能
• 4.5.2 热障涂层的热震性能
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢