大气等离子喷涂铸铁粒子形貌及粒子—铝基体间结合的形成机制研究

发布时间：2017-08-11 02:11

  本文关键词：大气等离子喷涂铸铁粒子形貌及粒子—铝基体间结合的形成机制研究

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【摘要】：以轻质铝合金代替灰铸铁制造发动机已经成为汽车工业领域一种低成本且有效的节能减排措施。然而常用Al-Si合金在服役过程中极易磨损。采用等离子喷涂技术在铝合金缸体表面制备灰铸铁涂层可以有效提高其减磨性能而显著减轻缸体磨损。在服役过程中涂层的结合强度,即涂层-基体间的结合强度是决定涂层是否脱落失效的关键因素。基于热喷涂涂层的形成特征,涂层的微观结构和性能主要受单个粒子沉积行为的影响,即形成的扁平粒子形貌以及粒子-基体间的结合对涂层的微观结构和性能起着决定性作用。因此,本研究利用大气等离子喷涂技术在抛光铝基体表面沉积单个铸铁粒子,系统研究喷涂功率、喷涂距离以及基体预热温度对单个铸铁粒子形貌、粒子-基体间结合的影响,并利用数值计算方法研究在不同粒子厚度、不同基体初始温度下粒子与基体间的换热过程。基于实验和计算结果,探讨分析扁平铸铁粒子形貌的形成规律以及粒子-基体间的结合机制,最终得出以下结论:提高粒子厚度和基体初始温度都会降低粒子的冷却速率,延长基体的升温时间,并提高粒子-基体间的界面温度。另外,当扁平铸铁粒子厚度大于1μm、且铝基体初始温度在250℃以上时,喷涂过程中基体表面会发生软化变形。对粒子形貌的研究表明:(1)喷涂功率15~25 k W、喷涂距离100~120 mm时,大部分粒子出现射线状或网状飞溅;当喷涂功率增加至30 kW、喷涂距离降低至80 mm时,多数粒子为近似圆盘状。这说明适当增大喷涂功率、降低喷涂距离有助于抑制粒子的飞溅。(2)保持喷涂功率30 k W、喷涂距离120 mm不变,当基体温度为室温时,粒子呈现出环形或者网状的飞溅;然而基体初始温度增加至130℃时,飞溅粒子数目降至18%左右,且大部分粒子为圆盘状;继续升高基体预热温度,飞溅粒子数目又增多且为星形飞溅状,并伴随着粒子中心凹陷现象;基体温度为290℃时飞溅粒子数目达到最多,约占粒子总数的78%左右,并且产生了分层飞溅现象。对粒子-基体结合的研究表明:(1)喷涂功率15~25 k W、喷涂距离100~120 mm时,粒子与基体间结合较弱,导致镶样过程中粒子与基体分离;当喷涂功率增加至30k W、喷涂距离降至80 mm时,粒子与基体间结合明显改善,但仍以机械结合为主。(2)保持喷涂功率30 k W、喷涂距离120 mm不变,基体初始温度为室温时,粒子-基体间结合力较弱,而当基体预热温度升高至130℃以上时,粒子与基体间结合得到改善;基体预热到190℃时,基体表面出现了明显的塑性变形而凹陷,同时粒子与基体间产生冶金结合使结合强度增强;基体预热到240℃以上时,粒子边缘部位出现了“倒钩状”结构,使粒子-基体间的结合强度得到进一步的提升。
【关键词】：等离子喷涂 铸铁 基体 粒子形貌 粒子-基体结合
【学位授予单位】：长安大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG174.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-24
• 1.1 概述10-12
• 1.2 研究背景综述12-20
• 1.2.1 等离子喷涂涂层的形成机制12-13
• 1.2.2 热喷涂粒子形貌的影响因素13-18
• 1.2.3 粒子-基体间结合及影响因素18-20
• 1.3 研究目的和意义20-21
• 1.4 研究内容及方案21-24
• 第二章 粒子-基体间换热过程的数值分析24-40
• 2.1 粒子-基体间换热过程的物理和数学描述24-25
• 2.1.1 物理描述24
• 2.1.2 数学描述24-25
• 2.2 粒子-基体间换热的有限元模型的建立及分析25-31
• 2.2.1 模型的建立25-26
• 2.2.2 喷涂材料数据参数26-27
• 2.2.3 模拟计算过程参数设置及说明27-28
• 2.2.4 几何模型的建立28-29
• 2.2.5 有限元网格划分29-30
• 2.2.6 分析求解30-31
• 2.3 有限元计算结果及分析31-38
• 2.3.1 粒子厚度对传热过程中粒子温度的影响31-33
• 2.3.2 粒子厚度对换热过程中基体表面温度的影响33-35
• 2.3.3 基体初始温度对传热过程中粒子温度的影响35-37
• 2.3.4 基体初始温度对换热过程中基体表面温度的影响37-38
• 2.4 本章小结38-40
• 第三章 实验材料及方法40-44
• 3.1 实验材料40
• 3.1.1 铝基体材料40
• 3.1.2 喷涂材料40
• 3.2 实验设备40-41
• 3.3 实验方法41-44
• 3.3.1 喷涂实验准备41-42
• 3.3.2 试样制备过程42
• 3.3.3 粒子形貌及粒子-基体界面分析方法42-44
• 第四章 喷涂条件对粒子形貌的影响44-62
• 4.1 喷涂功率及喷涂距离对粒子形貌的影响44-51
• 4.1.1 实验结果44-47
• 4.1.2 喷涂过程中等离子弧和飞行粒子的特点47-48
• 4.1.3 粒子形貌的形成机理48-51
• 4.2 基体预热温度对粒子形貌的影响51-60
• 4.2.1 实验结果51-54
• 4.2.2 讨论与分析54-60
• 4.3 本章小结60-62
• 第五章 喷涂条件对粒子-基体间结合的影响62-76
• 5.1 喷涂功率及喷涂距离对粒子-基体间结合的影响62-68
• 5.1.1 实验结果62-64
• 5.1.2 粒子-基体分离现象64-66
• 5.1.3 碰撞粒子对粒子-基体间结合的影响66-67
• 5.1.4 基体表面状态对粒子-基体间结合的影响67-68
• 5.2 基体预热温度对粒子-基体间结合的影响68-74
• 5.2.1 实验结果68-69
• 5.2.2 基体表面吸附物对粒子-基体间结合的影响69-70
• 5.2.3 粒子尺寸对粒子-基体间结合的影响70-71
• 5.2.4 基体表面粗糙度对粒子-基体间结合的影响71
• 5.2.5 粒子-基体间的冶金结合的形成机制71-73
• 5.2.6 倒钩状粒子的形成机理73-74
• 5.3 本章小结74-76
• 结论76-78
• 参考文献78-85
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文85-86
• 致谢86

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本文编号：653733