含納米Ni粉高溫陶瓷涂層材料的設(shè)計(jì)、制備和涂層性能、界面反應(yīng)及元素?cái)U(kuò)散的研究.pdf

1、高溫陶瓷涂層因其耐高溫、抗氧化、抗燒蝕和絕熱性優(yōu)良而被廣泛應(yīng)用于高溫結(jié)構(gòu)部件。本論文在全面綜述高溫陶瓷涂層發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合課題“液氧/煤油高壓補(bǔ)燃發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零件的陶瓷涂層材料研究”，首先采用Thermo-Calc相圖計(jì)算軟件計(jì)算和優(yōu)化了CaO-Al2O3-SiO2系和MgO-Al2O3-SiO2系的各二元系相平衡圖及三元系液相面投影圖，根據(jù)計(jì)算優(yōu)化的結(jié)果及最低共熔原理確定了高溫陶瓷玻璃相形成區(qū)，并設(shè)計(jì)出了高溫陶瓷玻璃相的組成成分；

2、進(jìn)而采用涂料流涂法首次在Ni基高溫合金基底表面上成功制備了含納米Ni粉的高溫陶瓷涂層，并且應(yīng)用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件渦輪球殼內(nèi)表面涂層；論文用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)、能譜分析、X射線衍射及拉伸實(shí)驗(yàn)和摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，首次從理論和實(shí)踐上對(duì)含納米鎳粉超細(xì)陶瓷涂料的分散性、涂層在高溫下的抗熱震性、涂層與基底結(jié)合強(qiáng)度、涂層抗氧化性、涂層和基底界面的元素?cái)U(kuò)散行為等方面進(jìn)行了深入的研究。 1.采用Thermo-Cal

3、c軟件計(jì)算和優(yōu)化了CaO-Al2O3-SiO2系和MgO-Al2O3-SiO2系的各二元相平衡圖及三元系液相面投影圖。計(jì)算結(jié)果表明，CaO-Al2O3-SiO2系的最低共晶溫度為1170℃，共晶點(diǎn)成分為：CaO23.3at.％，Al2O314.7at.％，SiO262at.％，MgO-Al2O3-SiO2系的最低共晶溫度為1345℃，共晶點(diǎn)成分為：MgO20.5at.％，Al2O317.5at.％，SiO262at.％；根據(jù)最低共熔原理

4、和玻璃化形成能力，給出了陶瓷玻璃相形成區(qū)，并根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)出了陶瓷玻璃相組成成分為SiO252.6wt.％，CaO17wt.％，MgO1.8wt.％，Al2O39.3wt.％。 2.為了提高超細(xì)陶瓷涂料的性能，首次在超細(xì)陶瓷涂料中添加了納米Ni粉，對(duì)含納米Ni粉超細(xì)陶瓷涂料的分散性試驗(yàn)研究和理論分析表明，在含納米Ni顆粒的超細(xì)陶瓷涂料中分別添加0.1wt.％的羧甲基纖維素鈉和1.0wt.％檸檬酸鈉，在72小時(shí)的靜置過程中都表現(xiàn)

5、出較好的分散效果；根據(jù)DLVO理論，計(jì)算出含納米Ni顆粒超細(xì)陶瓷涂料穩(wěn)定分散所需加入的檸檬酸鈉的臨界濃度為21.7mol/m3，與試驗(yàn)獲得的結(jié)果23.26mol/m3相符合；添加分散劑的含納米Ni顆粒超細(xì)陶瓷涂料的ζ電勢(shì)比無分散劑涂料的ζ電勢(shì)可以在較寬的PH值范圍內(nèi)保持高的負(fù)電勢(shì)(|ζ|≥35mv)，含有1.0％檸檬酸鈉的涂料的ζ電勢(shì)在整個(gè)PH范圍內(nèi)保持更高的負(fù)值。根據(jù)涂料的實(shí)際使用要求，確定了添加1.0wt.％檸檬酸鈉作為分散劑，保持

6、PH值7-8之間，獲得了較為穩(wěn)定分散的含納米Ni顆粒的超細(xì)陶瓷涂料。 3.通過對(duì)涂料流涂規(guī)律的研究表明，含納米Ni顆粒超細(xì)陶瓷涂料的最佳流變參數(shù)為涂料的屈服值在5-10Pa之間，觸變率在12％-17％之間，流杯粘度在13-16秒之間。涂料中表面活性劑的加入有效減小了含納米Ni顆粒超細(xì)陶瓷涂料和合金基底之間的表面張力，從而提高涂料對(duì)合金基底的潤(rùn)濕能力。試驗(yàn)表明控制涂料的流變參數(shù)，含納米Ni顆粒的陶瓷涂料在Ni基合金基底呈現(xiàn)良好的流

7、平流淌效果。在反復(fù)試驗(yàn)基礎(chǔ)上優(yōu)化了流涂工藝，并把該工藝應(yīng)用于液氧/煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件渦輪球殼內(nèi)表面涂層，獲得了良好的效果。 4.研究了高溫陶瓷涂層/合金基底的界面力學(xué)行為，理論分析和實(shí)驗(yàn)研究表明，裂紋擴(kuò)展的應(yīng)力強(qiáng)度因子與涂層和基底的熱膨脹系數(shù)差成正比，所有可以減小涂層與基底熱膨脹系數(shù)差的措施都有利于提高涂層與基底的結(jié)合強(qiáng)度。添加納米鎳粉可以使涂層材料的熱膨脹系數(shù)由4.37×10-6增大至5.25×10-6，減小了涂層材料與

8、基底合金的熱膨脹系數(shù)差，從而提高了含納米Ni高溫陶瓷涂層與合金基底的結(jié)合強(qiáng)度和抗熱震性能，在經(jīng)歷50次從室溫到900℃的熱循環(huán)試驗(yàn)后，含納米Ni高溫陶瓷涂層表面光滑無脫落，抗熱震性好；測(cè)得的含納米Ni陶瓷涂層與合金基底的抗拉強(qiáng)度大于60Mpa。 未涂敷涂層的基底合金在900℃空氣中氧化時(shí)表面不能生成連續(xù)的保護(hù)性氧化膜，氧化層主要由疏松的Cr2O3和晶間氧化物Al2O3及NiCr2O4，TiO2等復(fù)雜氧化物組成，加涂高溫陶瓷涂層后

9、在900℃空氣中氧化時(shí)陶瓷涂層對(duì)合金基底具有明顯的保護(hù)作用，氧化100小時(shí)后單位面積的氧化增重由1.13569mg/cm2降至0.12906mg/cm2，顯著降低了合金的氧化速率。含10％納米鎳粉的涂層試樣900℃空氣中氧化100小時(shí)后的氧化增重只有0.06892mg/cm2，進(jìn)一步提高了陶瓷涂層的高溫抗氧化性能。 5.在900℃真空下進(jìn)行不同時(shí)間的擴(kuò)散退火后，高溫陶瓷涂層材料發(fā)生了晶化現(xiàn)象，由非晶的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變成以云母為主晶相的