高强铜合金的表面等离子喷涂工艺及强化研究

《高强铜合金的表面等离子喷涂工艺及强化研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高强铜合金的表面等离子喷涂工艺及强化研究（42页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、江苏科技大学本 科 毕 业 设 计（论文）学 院： 材料科学与工程学院 专 业： 金属材料工程学生姓名： 学 号： 指导教师: 二一二年六月江苏科技大学本科毕业论文高强铜合金的表面等离子喷涂工艺及强化研究High-strengthCopperAlloySurfacePlasmaSpraying Processand StrengthenResearch江苏科技大学毕业设计（论文）任务书学院名称：材料科学与工程学院 专 业： 金属材料工程学生姓名： 学 号： 指导教师： X X 职 称： 讲 师 2012年 3月 1日毕业设计（论文）题目：高强铜合金的表面等离子喷涂强化及其界面研究1.课程性质（

2、请在相应的选项上打勾）纵向课题已签约的横向课题未签约的横向课题实验室建设课题模拟性课题学生自选人文课题2.课题类型（请在相应的选项上打勾）工程设计（实践）理论研究实验研究计算机软件设计综合 一、 毕业设计（论文）内容及要求（包括原始数据、技术要求、达到的指标和应做的实验等）1、提供条件箱式热处理炉，布氏硬度计，导电率测试仪，金相显微镜、3710型等离子喷涂系统等。2、内容及要求内 容：（1）锻态组织与性能分析研究；（2）固溶处理试验；（3）研究合金的时效温度、时间对合金组织与性能的影响；（4）选择最佳的热处理工艺对CuCo2Be进行强化，并对其进行等离子喷涂实验，并对界面进行研究。要 求： （

3、1）确定合金的最佳固溶、失效处理工艺参数； （2）研究时效温度、时间对合金组织和性能的影响关系； （3）制定合理的等离子喷涂工艺参数并进行等离子喷涂试验； （4）毕业设计论文严格按照科技论文规范。二、完成后应交的作业（包括各种说明书、图纸等） 1、毕业设计论文一份（不少于1.5万字）；2、译文1篇（不少于5000英文字符，并附原文）； 3、毕业设计电子文稿，参考文献。三、完成日期及进度自2012年 2月27日起至 2012年6月4日止进度安排：1、文献检索与阅读； 2012.2.272012.3.9（2周）2、设计与实验； 2012.3.122012.5.15（9.5周）3、撰写论文； 201

4、2.5.162012.5.25（1.5周）4、论文评阅与答辩； 2012.5.282012.6.4（1周）四、主要参考资料（包括书刊名称、出版年月等）: 1、邹莉. 等离子喷涂技术及其应用J. 昆明冶金高等专科学校学报, 2005, (5): 21-24.2、周庆生. 等离子喷涂技术及其在机床维修中的应用J. 制造技术与机床, 1980, (2): 39-42.3、阎洪. 金属表面处理新技术M. 北京：冶金工业出版社, 1996.4、王庆娟, 徐长征, 郑茂盛等. 高强高导电铜合金的研究现状J. 西安建筑科技大学学报(自然科学版). 2006, 38(5): 732.5、Szablewski

5、J, Haimant R. Heat-mechanical treatment for copper alloyJ. Materials Science and Technology, 1985(1):1053-1059.6、谢春生, 翟启明, 徐文清等. 高强度高导电性铜合金强化理论的研究与应用发展J. 金属热处理, 2007, 32(1): 15-16.7、冯端. 金属物理学(第一卷)M. 北京: 科学出版社. 1987: 154.8、刘和法, 谢春生等. 大型导电结构专用材料-CuNiTiBe合金J. 华东船舶工业学院学报. 1994, 8(4): 94-98.9、范大楠. 高导电铍青铜

6、及其组织性能研究D. 天津: 天津大学硕士论文. 1985: 5.10、TsengA A, Lin FH, Gunderia A S, et al. Roll cooling and its relationship to roll life J. Metallurgical Transactions, 1989, 20A(11): 2305-2320. 系（教研室）主任： （签字） 2012 年 月 日 学院（系）领导： （签字） 2012 年 月 日江苏科技大学本科毕业设计（论文）摘 要水平连铸是现代各大钢（管）厂生产各类型钢的主要方法，结晶器铜合金内套是水平连铸设备中最为关键的易耗部件。

7、在使用过程中由于铜套表面直接与14751570的高温钢液接触，内表面工作条件极其恶劣，易产生多种形式的失效，失效的主要形式是产生热裂纹、磨损、剥落、划伤和腐蚀等。为了提高结晶器铜合金内套的使用寿命，主要从提高铜合金内套的材料质量及其表面强化、表面改性二个方面进行了大量研究工作。本文对材料CuCo2Be内套合金进行热处理工艺优化试验及对铜合金内套进行表面改性电弧喷涂强化工艺试验。研究结果表明：(1) 新制备的CuCo2Be合金经9501.5h固溶+4601h时效可获得较佳的综合性能。此工艺条件下合金的室温布氏硬度为HB277.44，导电率达到54.48%IACS； (2) 以涂层与基体的结合强度

8、为指标，通过正交分析法，对各种喷涂参数的控制，通过极差和元素位极图得出最优组参数为功率22 kw、送粉速率15 gmin-1、喷涂距离为90 mm、主气流量56.6 Lmin-1，得到的涂层与基体最大结合强度为43.6MPa ； (3) 利用SEM、EDS分析测试手段，研究了断口形貌和涂层的组织结构，结果表明涂层与基体间的结合方式为微冶金结合。关键词：等离子喷涂；NiCr-Cr3C2涂层；结合强度；正交试验AbstractHorizontal continuous casting is the main method of billet produced for the modern big

9、steel (tube) factories as well as copper alloy mould is the most critical consumable parts of horizontal continuous casting equipment. In the course of usage, the inner surface of the copper alloy mould is working on very poor conditions, it contacts directly with 14751570 high temperature liquid st

10、eel, which is very easy to produce various forms of failure. The main forms of the failure are generating heat crack, wear, peeling, scratching, corrosion and so on, in order to improve the life of copper alloy mould. This paper mainly studying on heat treatment of CuCo2Be alloy and Surface modifica

11、tionarc spraying strengthening process of copper alloy mould on the basis of comprehensively analyzing the form of failure and the mechanism for the copper alloy mould. The results are shown as follows:(1) Comprehensive performance of CuCo2Be alloy can be acquired after solution treatment of 9501.5h

12、+4601h aging. At this condition, hardness is HB277.44, conductivity reaches 54.48%IACS;(2) As an indicatorofthe bonding strengthofthecoating and the substrate,by orthogonal analysis,thecontrolofvarioussprayparameters,a verypoorandthe ElementalFigure derivedtheoptimalset of parametersforthepower of22

13、kw,powder feedingrate of15gmin-1,thespray distanceof90mm,themaingasflow56.6Lmin-1,thecoatingand the substratebond strength43.6MPa;(3) Testing meansof SEM、EDS analysisto study thefracture morphology and the organizational structureofthecoating, the results indicate that the binding modebetween thecoa

14、ting and the substrateforthemicro-metallurgicalcombine.Keywords：plasma spraying；Cr3C2-NiCr coating；bonding strength；orthogonal test目 录第一章 绪 论11.1前言11.2铜及铜合金的应用现状及发展趋势11.3 热处理强化工艺21.4 热喷涂强化工艺41.5等离子喷涂强化51.5.1等离子喷涂工作原理及典型设备51.5.2等离子喷涂技术特点及涂层应用61.5.3等离子喷涂涂层存在的缺陷81.5.4等离子喷涂技术发展趋势81.6 论文意义91.7 论文研究内容10第二

15、章 试验内容与试验方法112.1 试验材料112.1.1 基体材料112.1.2 喷涂粉末材料112.2 试验药品及设备122.2.1 试验药品122.2.2 试验设备122.3 试验内容132.3.1 铜合金的熔炼与浇铸132.3.2 铸态组织与性能分析研究132.3.3 锻态组织与性能分析研究142.3.4 固溶处理试验142.3.5时效处理试验142.3.6等离子喷涂工艺试验152.4 材料的组织形貌分析182.5 性能测试182.5.1 硬度182.5.2 导电率182.5.3 拉伸强度19第三章 实验结果与分析233.1 热处理工艺对CuCo2Be合金组织性能的影响233.1.1 合

16、金的铸态组织与性能233.1.2 合金的锻态组织与性能233.1.3 合金固溶组织与性能243.1.4 合金时效组织与性能263.2 等离子喷涂工艺参数正交试验结果与分析273.2.1 Cr3C2-NiCr涂层正交试验结果及分析273.2.2 Cr3C2-NiCr涂层正交试验因素主次分析303.3 Cr3C2-NiCr涂层和界面微观组织结构303.4 涂层显微硬度分析32结 论34致 谢35参考文献3619江苏科技大学本科毕业设计（论文）第一章 绪 论1.1前言铜既是一个古老的金属，又是一个具有应用前景的现代工程材料。铜合金具有优良的导电性、导热性、成形性及塑性; 具有很好的耐蚀性能。这些特点

17、是其它材料所不能同时具备的。因此，铜合金广泛应用于电力、电工、矿山、冶金业及机械制造业等，特别是对同时要求耐磨性、耐蚀性、导热或导电的零件具有不可替代的作用。随着现代科学技术的发展，人们对材料和设备以及机械零部件的使用性能要求也越来越高。于是人们在生产过程中，在普通基体材料的表面上，制造一个特殊的工作表面，使其达到防腐、耐磨、抗氧化等一系列多种功能，使其达到节约材料，节约能源的目的1。等离子喷涂是利用等离子射流将喷镀材料加热到熔化或接近熔化状态，喷附在制品表面上形成保护层的方法2。等离子喷涂工艺是于基体材料基础上的表面强化和表面改性的技术，可以使基体表面具有耐磨、耐蚀、耐高温氧化和密封等性能。

18、等离子喷涂工艺的发展可以充分改善材料的表面性能。1.2铜及铜合金的应用现状及发展趋势铜和铜合金的发展和应用有着悠久的历史，随着人们物质文化生活的提高和信息时代的到来，铜及铜合金成为人类工作和生活的中重要的基础材料。由于具有高导热、耐磨损、耐腐蚀、可电镀等特性，铜和铜合金的应用非常广泛，在人类生活和国民经济的发展中有着巨大的作用。铜及铜合金具有许多优良的特性，铜以合金化种类多和化合物的形式多被人们所利用，也被深深地应用到了生产和生活的各个方面，成为人类在21世纪飞速发展的一个不可缺少的重要金属。铜合金的这些特点不是其它材料能够同时具备的，特别是对某些同时要求耐磨、耐蚀、导热或导电性能的零件，是不

19、可替代的。在连铸结晶器、高炉风口、转炉氧枪喷头、等离子加热喷嘴等零部件中经常使用，其一面与高温液体或气体介质直接接触，另一面与水或气体等冷却介质直接接触，是极其恶劣的工作条件。铜合金同样存在一些缺点，比如铜合金的耐热性和耐磨性能较差，在工程应用中往往需要先进行表面强化处理，从而达到减少磨损的目的，以达到提高零件的使用时间的效果，提高经济效益。近年来，由于热喷涂技术的迅速发展和应用，使得基体材料在耐磨损、耐腐蚀和绝缘性等方面性能都有了很大的改善。因此目前，包括航空、航天、原子能设备等尖端技术在内的所有领域内都有广泛的应用3。1.3 热处理强化工艺(1) 形变强化形变强化，即加工硬化，是典型的四种

20、金属强化方式之一，随着塑性变形量的增加，金属流变强度也增加，这种现象称为形变强化或加工硬化。在金属形变的过程中，当外力超过屈服强度后，要将塑性变形过程进行下去必须要不断的增加外力，在真实的应力-应变曲线上表现为曲线的不断上升。当使材料用温度过高时，材料将发生回复、再结晶过程而产生软化的现象，而且单一的形变强化对合金强度的提高是有限的，所以经常和其它强化方式一起使用。(2) 析出强化金属在过饱和固溶体中溶质原子偏聚区和（或）由之脱溶出微粒弥散分布于基体中而产生硬化的一种热处理工艺。室温下，当基体中加入固溶度很低的元素后，经高温固溶后，会形成过饱和固溶体，晶格严重变形，强度得到明显改善。常用的析出

21、强化元素有Ni、Si、Cr、Zr、Be等。时效处理后，合金元素会从基体中快速析出，形成弥散细小的沉淀相，有效阻碍晶界和位错的运动，因固溶原子引起的晶格畸变对电子的散射作用比第二相对电子的散射作用大的多，故时效后强度提高，而导电性又恢复到较高水平。(3) 固溶强化固溶强化的主要机理是溶质原子溶解在铜基体的应力场和弹性应力场的周围，这种作用所产生的晶格畸变是形成的固溶体的晶格畸变的主要机制，这种作用阻碍了位错运动从而使材料得到强化。合金元素对铜合金的强化作用主要取决于溶质原子与铜原子的尺寸差别以及溶质元素在铜中的浓度，而对导电率的影响则与固溶元素的种类和数量有关4。固溶强化的程度主要取决于两个因素

22、，首先是原始的原子和添加的原子之间的尺寸差别，尺寸差别越大，原始晶体结构受到的影响就越大，位错滑移就更加困难；其次是合金元素的量，随着合金元素加入量的增加，强化效果越来越明显。(4) 冷变形+时效强化冷变形+时效强化是目前对高强度高导电性铜的研究与开发合金较为常用的方法。J.Szablewki5等人认为固溶和时效处理时所产生的冷变形提高了合金的电阻率，降低了合金的电阻温度系数，在时效过程中促进了固溶体的分解，时效性能也受到变形量的影响。在受到外力作用时，晶粒形状的变化会随着工件形状的变化而变化。当工件的形状被拉长或压扁时，其内部晶粒的形状也会随之被拉长或压扁，导致晶格产生畸变现象，使金属进一步

23、滑移的阻力增大，导致金属的强度和硬度显著提高，塑性和韧性下降，即产生所谓“变形强化”现象,叫做冷变形强化。铸锭热机械处理法对时效强化型铜合金能对合金的强度和导电率能产生较好的效果。但用于制造高强度高导电性结构件的铜合金铸锭直接进行固溶处理，虽然塑性提高了，但单靠冷变形成形，变形量大，变形抗力大，特别是结构复杂件，成形困难6。铜合金固溶处理后经过冷变形+时效处理后的强化效果好，主要是由于合金经过强烈地冷变形后晶体内部产生位错、层错、空位，晶界、亚晶界等晶体缺陷增多，合金内能增高。在时效过程中，这些在冷变形过程中形成的大量晶体缺陷成为第二相形核的核心，第二相析出快，且分布更加弥散、细小，钉扎位错，

24、使位错的运动更加困难，并延缓合金回复和再结晶的过程，使合金的强度、硬度升高，随着第二相的弥散析出，合金的过饱和度下降，晶格畸变得到恢复，合金导电率也显著提高。（5）细晶强化通过细化晶粒方法改善金属材料力学性能的方法称为细晶强化，工业上常通过细化晶粒的方法来提高材料的强度。金属通常是由许多晶粒组成的多晶体，晶粒的大小可以表示为单位体积内晶粒的数目的多少，晶粒数目越多，晶粒就越细。实验结果表明，在室温条件下，细晶粒金属比粗晶粒金属具有更高的强度和硬度以及塑韧性。这是因为外部发生塑性变形的细粒可以在更多的晶粒内进行，塑性变形较均匀，应力集中较小；此外，晶粒越细，晶界面积越大，晶界越曲折，越不利于裂纹

25、的扩散。所以工业上常通过细化晶粒的方法用来提高材料强度。细晶强化的效果可以用Hall-Petch7关系式表示， （1-1）（1 -1）式中：为材料的屈服强度；和是两个与材料有关的常数；为晶粒的平均直径。从式中可以看出，晶粒尺寸减小的同时合金的强度提高。这是因为多晶体在受力变形过程中，晶界位错阻止晶界表面的堆积，这样留在晶界处的滑移带会在位错塞积群的顶部产生应力集中现象；位错塞积群可以与外加应力发生作用，当应力足够大使邻近晶粒内部的位错源产生滑动时，滑移带才可以从一个晶粒传到下一个晶粒。由于晶界及相邻晶粒取向不同，这就阻碍了位错从一个晶粒向另一个晶粒的运动，晶粒越细，单位体积内的晶界体积就越大，

26、对位错的阻力作用就越大，材料的强度就越高。由于结晶取向对晶体的传导性能无影响，晶粒细化仅使晶界增多，因而对铜的导电性能影响很小。此外细晶强化在提高材料强度的同时还可以提高材料的塑性。（6）合金强化在金属中加入合金元素，是提高合金强度的有效和常用方法。合金元素可以以多种形式存在于才材料基体中：在固溶体中以溶质原子方式无序分布，与溶剂原子组成有序结构，形成与基体不同的弥散质点，并形成尺寸相当大的复相混合物等；阻碍作用对位错运动的影响是合金获得高强度的直接原因。合金元素通过改变基体点阵类型，也能使基体晶粒细化，增大基体的淬透性，间接地提高合金的强度。有文献报道，在Cu-Be，Cu-Ni-Be合金中加

27、入微量Ti可细化组织，提高铜合金的强度8,9，在Cu-Cr、Cu-Cr-Zr合金中加入0.05wt%0.10wt%的稀土铱、镧、铈等元素可以显著提高铜合金的强度和导电率10-12。1.4 热喷涂强化工艺热喷涂技术是表面工程中的一个重要组成部分，在表面工程技术中有着重要的地位。它是以火焰、电弧或等离子体等作为热源，将线状材料或粉末状材料加热至熔融或半融化状态，加速形成熔滴并高速打在基体材料上形成涂层。涂层具有耐磨损、耐腐蚀、耐高温和绝缘等优异性能，并且能够对磨损、腐蚀或加工过程中引起的零件尺寸误差进行修复。热喷涂技术的应用主要包括：长效防腐、机械修理及先进制造技术、模具制作和修复、制造特殊的功能

28、涂层等四个方面。目前，热喷涂技术已广泛应用于几乎所有工业领域以及家庭用品（如不粘锅、红外线保健电热器等）。热喷涂技术是材料表面强化与保护的重要技术，利用热喷涂技术制备耐磨涂层已经成为主要的研究方向，以防止机械和设备零部件等发生故障，并提高其使用寿命。热喷涂以热源形式可分为四大类：火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂和特种喷涂。 （1）火焰喷涂火焰喷涂技术可以分为粉末火焰喷涂技术和丝材火焰喷涂技术两种，其中在制备隔热涂层的研究中多以粉末喷涂为主。喷涂中通常使用乙炔和氧气的混合气组合来提供热量，也可以使用丙二炔(MPS)、甲基乙炔、丙烷、氢气或天然气等。火焰喷嘴通过引入乙炔和氧气，二者混合后产生燃烧火焰

29、。喷枪上设有粉斗或进粉管，利用空气产生负压吸粉，使粉末随着气流进入火焰，粉末在火焰处被加热熔化或软化，在气流及焰流的作用下喷射到基材表面形成涂层。（2）电弧喷涂电弧喷涂是通过金属丝之间的两根连续送进的电弧的燃烧来熔化金属，利用高速气流把熔化的金属雾化，并对雾化的金属粒子加速使它们喷到工件表面形成涂层的技术。电弧喷涂是钢材料防腐蚀、耐磨损和机械零件维修等实际应用工程中最普遍使用的一种热喷涂方法。电弧喷涂系统一般是由喷涂专用电源、控制装置、电弧喷枪、送丝机及压缩空气供给系统等组成。（3）等离子喷涂等离子喷涂技术是一种新型多用途的精密喷涂方法，它是以刚性非转移型等离子弧作为热源，以喷涂粉末材料为主的

30、热喷涂方法。喷涂粉末被加热熔化后，从而形成涂层。等离子喷涂包括大气等离子喷涂，保护气氛等离子喷涂，真空等离子喷涂和水稳等离子喷涂。等离子喷涂是目前所有的热喷涂工艺中最为方便灵活的一个，它可以产生足够的能量熔化任何材料。它具有：超高温特性，以方便喷涂高熔点材料。喷射粒子的速度高，涂层致密，粘结强度高。使用惰性气体作为工作气体，喷涂材料是不容易被氧化。1.5 等离子喷涂强化1.5.1等离子喷涂工作原理及典型设备 热喷涂技术是通过某种特定热源将某些材料加热到熔融或半熔融状态，然后在基体表面上喷上涂层，形成一层性能优越的涂层，从而使原工件具有更加优异的表面性能，或者是使工件获得一种或几种原来基体材料不

31、具备的表面性能膜状组织13-14。热喷涂方法大致可以分为火焰喷涂法、爆炸喷涂法、超音速喷涂法、电弧喷涂法、等离子喷涂法等。下面我们来着重讨论等离子喷涂工艺。等离子喷涂是以一个刚性非转移型等离子弧作为热源，以喷涂粉末材料为主的热喷涂方法。图 l-1为等离子喷涂工作原理图2 。其喷涂原理是通过等离子喷枪 产生等离子射流 。喷枪的钨电极 (阴极)和喷嘴 (阳极)分别接电源负极和正极 ，由高频振荡器引燃电弧激发，使工作气体 (Ar或 N2)在电弧的作用下电离成等离子体。由于热收缩效应 、自磁收缩效应和机械收缩效应 的联合作用 ，电弧被压缩 ，形成非转移型等离子弧。送粉流输送粉末喷涂材料进入等离子弧 ，

32、并被迅速加热至熔融或半熔融状态 ，随等离子流高速撞击经预处理的基材表面 ，并在基材表面形成牢固的覆盖层喷涂层。从而使零件被喷涂表面获得不同的硬度、耐磨 、耐热 、耐腐蚀 、绝缘 、隔热 、润滑等各种特殊物理化学性能 ，以满足零件不同工作条件的要求。根据等离子喷涂的工作原理，等离子喷涂的成套设备需由电源 、高频振荡器 (引弧装置)、控制系统 、送粉装置 、喷枪 、水冷系统 、气路等部分组成 。图 1-2为国内外等离子喷涂典型设备配置 15。 图1-1 等离子工作原理图 图1-2 等离子喷涂设备组成示意 1.5.2等离子喷涂技术特点及涂层应用(1) 等离子喷涂技术特点1618由于热收缩效应 、自磁

33、收缩效应和机械收缩效应的综合影响，所形成的非转移型等离子弧通常可以获得10000以上的高温，并且热量集中，因此可以熔化各种高熔点、高硬度的粉末材料；并且等离子焰流速度高达1000m/s，喷出的粉粒速度可达 180600m/s，因此可以获得组织致密、气孔率低 、与基材结合强高、涂层厚度易于控制的喷涂层。能够喷涂的材料广泛，涂层的种类多。由于等离子焰流的温度高，可以将各种喷涂材料加热到熔融状态，因而可供等离子喷涂的材料非常广泛。(2) 等离子喷涂涂层的应用大致来说，涂层依照其主要用途可分为保护性涂层和功能性涂层两类。等离子喷涂涂层传统应用于耐磨、耐蚀（氧化）、耐高温等领域，这些涂层的制备技术已在工

34、业生产中得到广泛应用。近年来，新型的功能性涂层，如生物涂层、纳米涂层、超导涂层等正受到人们的重视。实践证明，使用热喷涂技术可以收到很好的应用效果19。等离子喷涂可以提高工件的耐磨性、耐蚀性、热绝缘性，厚度可达1mm以上 ，NiCr-Cr3C2具有良好的耐热耐蚀性，在金属碳化物中抗氧化能力最强，在空气中温度为1 1001 400才开始显著氧化，在高温条件下依然保持相当高的硬度20。为了改善界面应力状况， 提高涂层结合强度，打底层+工作层是最常用的涂层结构。文献 21-22采用N iC rA lY 打底、等离子喷涂的ZrO2-28% Y2O3 热障涂层的结合强度得到了较大的提高， 达到了31.2M

35、Pa。阶梯涂层能使整个涂层结构的膨胀系数呈阶梯状， 变化趋于平缓， 能减小涂层间特别是涂层与基体间的内应力， 提高涂层与基体的结合强度，涂层耐高温、抗热冲刷等性能大幅提高23 。热障涂层广泛应用于航空发动机、燃气轮机等高温工作下零部件的表面， 起隔热作用。如燃气轮机的受热部件如喷嘴、叶片、燃烧室等均处于高温氧化和高温气流冲蚀的恶劣工作环境中，承受温度高达1100 24。实践证明， 热障涂层材料隔热效果显著，并具有良好的抗热震性和高温抗氧化性，消除了燃烧室隔热屏局部烧蚀变形及裂纹等故障25 。等离子喷涂技术是制备医用生物涂层材料的一种有效方法。国内外对等离子喷涂经基磷灰石涂层和钦涂层的研究报导较

36、多。轻基磷灰石的化学式为Ca (PO4)6(OH)2，简称H V，其化学成分和晶体结构与人体骨骼和牙釉质的化学成分和晶体结构相似，能与骨组织产生骨性结合。目前这种涂层广泛用于人工髓关节和人工牙齿植人材料26。但多孔经基磷灰石是脆性材料, 韧性差, 强度低, 难以在生物体的承载部位使用。研究表明, 等离子喷涂方法可制备厚度 30 m 的涂层材料, 涂层与基底的结合强度 60 MPa。通过摸拟体液和体液中的培养试验, 证明等离子喷涂Hv / Ti 合金复合材料是一种理想的骨替代材料27 。1.5.3等离子喷涂涂层存在的缺陷在等离子喷涂过程中，由于快速凝固等原因，会产生一定密度的微观缺陷，包括气孔和

37、裂纹等。Pavel Ctibor 等人28对热喷涂涂层的微观结构进行了定量的分析，根据涂层中缺陷的特征，可以分为圆柱形的孔，片层之间的孔和垂直缺陷。在等离子喷涂过程中，熔融态的颗粒高速沉积在基体上而形成涂层，该工艺过程决定了涂层的孔隙不可避免。描述涂层孔隙结构特征的一个重要参数是涂层的总体孔隙率。Ghislaine Bertrand 等29分析了孔隙的尺寸和形态，认为当氩气的流动速率较高（40 L/min）氢气的流动速率较低（4 L/min）时，会使得涂层的总体孔隙率升高。机械性能与孔隙率之间有一定的联系，涂层的热导率一般随涂层孔隙率的增加而下降。V.Teixeira等30通过改变沉积参数，设

38、计了梯度涂层，使得涂层的孔隙率在向顶层方向上增加，最终减少了热传导系数。因此，通过提高涂层表面的孔隙含量，以达到降低涂层热传导率的目的。Nakamura 等人通过有限元模型的几何形状与实际的陶瓷包含许多嵌入的孔隙的模型很相似的方法，研究了孔隙的尺寸，形状和方向对热障涂层力学性能的影响。在等离子喷涂过程中，由于快速淬火的影响，在涂层中会产生高密度的微观裂纹。其中，最典型的包括与基体平行的裂纹和垂直裂纹。在热循环载荷下，这些裂纹会生长，最终引起涂层分离。Ghislaine Bertrand 等29研究指出喷涂角度与基体成75（），并且冷却速率较高时，与基体成30（）方向的裂纹的长度会有所增加，指出

39、涂层中微裂纹的会影响等离子喷涂涂层中的热传导率。Bin Zhou 和Klod Kokini31认为涂层的厚度，最短的预裂纹和最长的预裂纹导致形成了很长的界面裂纹，预裂纹存在时的最佳状态是使得涂层的断裂强度最小。1.5.4等离子喷涂技术发展趋势等离子喷涂时， 铜基体易氧化， 涂层与基体主要靠机械锚合，涂层材料与铜基体热膨胀系数差异极大， 界面处存在较大的热失配内应力， 涂层与基体结合强度低，热疲劳寿命不高，从而制约了等离子喷涂在铜基体上的应用。随着新材料、新设备和新工艺的出现和发展， 铜及铜合金表面等离子喷涂涂层性能将会进一步提高。关于铜合金表面等离子喷涂的研究，今后应在如下几个方面展开深入研究

40、：(1) 发展新型涂层, 注重涂层结构设计。研究解决涂层与铜合金基体热膨胀系数失配以及物理性能差异过大的问题，从而提高涂层与基体的结合力和热疲劳寿命。目前铜合金表面涂层的开发一方面要考虑如何通过改进打底层性能来消除或减小涂层与基体间的差异，降低应力；另一方面则要改善和改进涂层设计， 如梯度涂层等多层涂层设计， 提高涂层的强度和热疲劳寿命。(2) 开发应用的新领域，发展复合工艺。等离子喷涂与其他学科相互交叉渗透形成了新的表面复合处理工艺。例如， 与热处理工艺相结合出现了真空扩散重熔和高频感应重熔涂渗工艺；与电镀工艺相结合产生了镀涂工艺和涂镀工艺；采用新的能源，出现了激光重熔和电子束重熔等。利用复

41、合工艺，能较好地改善涂层性能。等离子喷涂的新技术、新工艺还有待于进一步探索和开发， 其应用的领域包括在铜及铜合铜表面强化、改性等方面必将得到进一步拓展。(3) 简化、优化工艺， 发展涂层性能的预测。操作简便、成本低、生产效率高及涂层质量好的工艺无疑是发展的方向。为此， 需通过建立各种材料的喷涂工艺参数数据库和合理的模型及专家系统来预测涂层的性能，对涂层及工艺进行优化设计。目前这方面的研究相对很少，这也是今后进行深入研究的重要方向。1.6 论文意义水平连铸是现代各大钢（管）厂生产各类型钢的主要方法，结晶器铜合金内套是水平连铸设备中最为关键的易耗部件。在使用过程中由于铜套表面直接与14751570

42、的高温钢液接触，内表面工作条件极其恶劣，易产生多种形式的失效，失效的主要形式是产生热裂纹、磨损、剥落、划伤和腐蚀等。铜套的质量高低直接影响炼钢的效率、效益及劳动强度。自上世纪八十年代水平连铸技术快速发展以来，国内外一些钢铁企业及研究单位，为了提高结晶器铜合金内套的使用寿命，主要从提高铜合金内套的材料质量及其表面强化、表面改性二个方面进行了大量研究工作。本文结合国内某大型钢厂生产中存在的问题，在对结晶器铜合金内套的失效形式、机制进行较全面分析研究的基础上，对材料CuCo2Be内套合金进行热处理工艺优化试验及对铜合金内套进行表面改性等离子喷涂强化工艺试验。1.7 论文研究内容本论文主要研究内容如下

43、： (1) 对合金进行熔炼、浇注、铸造、锻造及热处理工艺研究。熔炼、浇注及铸造工艺要能保证获得合格的铸件质量，是后续的锻造、热处理获得良好效果的前提，使合金内部质量满足探伤合格的要求。 (2) 对CuCo2Be合金进行热处理工艺研究，测量铸态、锻态试样的硬度及导电率，试样进行固溶时效处理后，测量硬度及导电率，确定最佳的固溶、时效温度和时间。 (3) 以涂层与基体的结合强度为指标，采用正交试验法研究工艺参数对涂层质量的影响，以Cr3C2-NiCr粉末作为喷涂粉末，对基体材料CuCo2Be表面进行等离子喷涂工艺研究，确定最佳工艺参数，并进行拉伸强度测试，通过极差法对工艺参数进行优化，优化出最佳的喷

44、涂工艺方案。 (4) 通过扫描电镜观察不同参数条件下涂层的形貌，并通过EDS及SEM分析涂层与基体的结合方式。第二章 试验内容与试验方法2.1 试验材料2.1.1 基体材料高强高导CuCo2Be合金具有较好的耐高温性、导热性，具备耐磨损、耐腐蚀、高硬度和高抗拉强度的要求。本试验采用时效硬化态的CuCo2Be合金，成分性能如表2-1 所示。表2-1 CuCo2Be合金化学成分（质量分数，%）合金添入元素CoBe其他CuCuCo2Be2.7%0.5%0.5%余量2.1.2 喷涂粉末材料等离子喷涂层的性能指标主要和喷涂材料的性能和喷涂工艺有关。采用相同工艺，不同涂层材料，所得到的涂层性能也不同；同一

45、种涂层材料，采用不同喷涂工艺，得到的涂层性能也不相同。本试验所使用的喷涂粉末为北京矿冶研究总院金属材料研究所生产的烧结型Cr3C2-30NiCr复合粉末，成分如表2-2所示。Cr3C2-30NiCr复合粉末涂层坚硬致密，是中高温下理想的抗氧化、耐磨、耐蚀涂层，常于中高温下的燃气冲蚀磨损、微动磨损、磨粒磨损、硬表面磨损等条件下使用。NiCr合金具有优异的耐热、耐腐蚀、抗高温氧化等性能，Cr3C2具有较好的高温硬度和抗高温氧化性，因此Cr3C2-30NiCr涂层在950下具有优异的抗高温氧化性、抗高温气流或微粒冲蚀磨损和硬面磨损性能，可作为本试验较为理想理想的喷涂材料。表2-2 工作涂层材料牌号名

46、称成分/wt%硬度粒度KF-71碳化铬-镍铬80%Cr3C2，20%NiCr800-1000HV0.3-325-+500目2.2 试验药品及设备2.2.1 试验药品氯化铁盐酸溶液、无水乙醇、金刚石研磨膏、烧结型复合粉、NiCr-Cr3C2（Cr3C2 75%、NiCr 25%）粉末、高纯N2、高纯Ar等。2.2.2 试验设备（1）3710型等离子喷涂系统 等离子喷涂设备是比较复杂的，是指产生高温热源、加热、熔化、雾化、加速被喷涂材料，并在基体表面沉积形成涂层所用的一套装置的总称。本试验使用的等离子喷涂系统为3710型等离子喷涂系统，主要设备包括HF-2210型等离子喷涂专用电源，3710型控制

47、柜，SG-100型等离子喷枪，1264型送粉器，AMS3265型制冷热交换器，螺旋空气压缩机等。等离子喷枪是喷涂设备中的核心装置，等离子喷枪含阴阳两极，中间留有空隙通入等离子气体，同时用循环冷却水保护枪体和阴极棒。SG-100型等离子喷枪是一把可适用于许多应用的多态喷枪，。送粉方式有枪内送粉和枪外送粉两种，本试验采用枪外送粉。3710型控制柜可以控制两个送粉器和用于工件冷却等用途的辅助电路。控制柜具有安全自锁，以防止在水、电及气路有故障时保护喷枪工作，如图2-2所示。（2）其他主要设备 本实验其他主要实验设备见表2-2。表2-2 试验设备极其性能指标试验设备设备型号性能指标用途箱式电阻炉SX2

48、-10-12额定温度1200 固溶、时效立式砂轮机S3S-2503000转分除去氧化皮金相试样预磨机YM-2A500转分试样预处理金相试样抛光机P21400转分抛光处理大型金相显微镜（HAL100）ZEZSS50、100、200、500拍摄金相照片布氏硬度计HB-3000HB测定硬度涡流导电率测试仪FQR7501%IACS测导电率扫描电镜TEOL-JSM-6480观察组织、断口形貌“百通”牌喷砂机9080试样喷砂2.3 试验内容2.3.1 铜合金的熔炼与浇铸熔炼是铸造生产工艺之一。将金属材料及其它辅助材料投入加热炉溶化并调质，使其符合浇注铸件要求。常用的工业熔炉有：冲天炉、工频炉、中频炉、电阻

49、炉。铜合金的熔炼与浇铸工艺过程如下：合金的熔炼过程合金的熔炼过程一般如下：升温预热坩埚加入炉料炉体抽真空升温熔化搅拌保温放气打开炉盖撒入集渣剂扒渣测铜液温度浇注（非真空）。 熔炼浇铸工艺熔炼出炉温度：1390浇注温度：1310本试验使用真空中频感应炉进行熔炼，非真空浇注，浇入规格160210mm，预热温度为300左右的铁模内，凝固后出模。2.3.2 铸态组织与性能分析研究测出铸态试样的硬度HB、导电率e（%IACS）。对试样进行微观组织的观察并拍下金相照片记录；根据所测数据结果进行初步分析。2.3.3 锻态组织与性能分析研究测出三个系列的试样的硬度HB、导电率e（%IACS）；对试样进行微观组

50、织观察并拍金相照片记录；根据所测数据结果进行初步分析。2.3.4 固溶处理试验固溶处理是指将合金加热到高温单相区保持恒温，使过剩相充分溶解到固溶体中，然后后快速冷却，以得到过饱和固溶体的热处理工艺方法。固溶处理的温度范围大约在9801250之间，主要根据各个合金中相析出和溶解规律及使用要求来选择，以保证主要强化相必要的析出条件和一定的晶粒度。固溶处理是有色金属合金强化热处理的第一个步骤。根据以上原则，进行如下试验：固溶温度的确定：铜合金一般固溶温度为930970，在此区间取3个温度，分别为930，950，970，1.5小时保温，进行固溶处理（水冷）；测出其导电率e和硬度HB，以确定较佳固溶温度

51、；进行微观组织观察并拍下金相照片，研究固溶温度对组织与性能的影响。2.3.5 不同温度、不同时间的时效工艺试验固溶处理后，随即进行第二个步骤时效，合金即可得到显著强化。时效处理是指合金工件经固溶处理，冷塑性变形或铸造，锻造后，在较高的温度放置或室温保持其性能，形状，尺寸随时间而变化的热处理工艺。时效处理的目的，消除工件的内应力，稳定组织和尺寸，改善机械性能等。合金的时效硬化是一个相当复杂的过程，它不仅取决于合金的组成、时效工艺，以及取决于合金在生产过程中所造成的缺陷，特别是空位、位错的数目和分布等。根据以上原则，进行如下试验：时效温度、时效时间的确定：对试样进行特征温度时效试验，时效温度为46

52、0，并且在时效温度进行1/3h、1/2h、2/3h、1h、2h、3 h、4h的时效处理试验，时效处理后测出每个试样性能，分析结果确定试样的较佳时效温度和时间。测出导电率e（IACS）、硬度HB，绘出曲线。进行微观组织观察并拍下金相照片，分析结果确定较佳时效温度和时间；2.3.6等离子喷涂工艺试验等离子喷涂技术是继火焰喷涂、电弧喷涂之后大力发展起来的喷涂新技， 近几年在我国发展较快,应用也相当普遍。 等离子喷涂是采用等离子喷枪产生的等离子喷流， 把数微米至数十微米的金属陶瓷等单一或者混合粉末加热和加速， 在熔融或接近熔融的状态下喷向母体材料的表面而形成涂层。 有以Ar、He、N2、H2 等气体作

53、为工作气体的气体等离子喷涂， 还有把水分解成氧和氢而作为工作气体的平均等离子喷涂.等离子喷涂产生的温度可达16000，喷流速度达300400 m/s，因而可喷制各种高熔点、耐磨、耐热的涂层。 该涂层具有较高的结合强度，涂层特性好，尺寸也容易控制， 尤其适合瓷材料的喷涂。 国内外已有数百种材料用等离子进行喷涂，所得的涂层具有抗蚀、抗氧化、耐磨损擦伤、助滑、助粘结、防辐射和绝热等功能.等离子喷涂是热喷涂工艺中最万能的工艺， 这是因为其工艺温度最高， 喷涂过程可以在不同的气氛和不同的压力下实现。 目前已发展到空气、低压( 或真空) 、空压、惰性气体以及水下环境的应用，对环境的适应能力强是等离子喷涂的

54、最大优点之一。 等离子喷涂法主要有大功率等离子喷涂、低压( 或真空) 等离子喷涂和水稳等离子喷涂等几种方法。等离子喷涂工艺的一半过程如下：(1)基体试样准备选用厚度约为5mm直径约为25mm的圆柱形试样，对于经过初加工的基体试样，首先要先进行打磨，去除表面杂质及油质物，用打磨砂纸粗磨。将打磨后的试样及时擦干，以减少生锈。用酒精冲洗，然后将洗好的试样放入盛有酒精的烧杯中，进行超声波清洗，去除表面油污。清洗后吹干密封。清洗时需要带一次性塑料手套。(2) 喷砂粗化试样清洗吹干后要用喷砂机进行喷砂粗化。粗化使用白刚玉砂进行。粗化处理的目的是增加涂层于基材间的接触面，增加涂层与基材的机械咬合力，使净化处

55、理过的表面更加活化，以提高图等于基材的结合强度。同时，基材表面粗化还可以改变图层中的残余应力分布，对提高图层的结合强度也是有利的。(3) 等离子喷涂强化将喷涂设备预热，然后将粗化后的试样清洗晾干后测量好厚度并记录后，放到夹具上，调整好喷涂距离、喷涂功率、送粉量、喷涂电流、主气等参数，之后开始喷涂。喷涂结束后测量试样厚度，计算涂层厚度。涂层厚度在0.3mm比较适宜。实验时以Ar作为主气、N2作为辅气。为了确定等离子喷涂工艺与NiCr-Cr3C2涂层性能之间的关系， 提高涂层的质量，研究了等离子弧电流、电压、送粉速率、喷涂距离及主气流量等主要工艺参数对涂层性能的影响规律，以便获得NiCr-Cr3C

56、2金属陶瓷涂层的最佳等离子喷涂工艺。(4) 测量涂层与基体试样的结合强度 涂层结合强度是指涂层和基体材料表面之间的结合能力，是反映涂层质量的重要力学性能指标。采用E-7高温结构胶作为胶接剂，将涂层与加载块胶接起来。E-7高温结构胶为双组份环氧树脂，对铝、铜、钢、陶瓷、玻璃等材料都具有良好的粘结力，能长期在200左右的环境下使用，具有良好的密封性。按质量配比为甲乙=10：1.5的比例调均匀后，抹于涂层与已喷砂处理并清洗干净的加载块上，均匀挤压，然后置于自行设计的专用夹具中，静置4小时以后置于烘箱中100下烘4小时，使胶水固化。之后，将溢出的粘接胶清除干净后，装夹于万能试验机上拉伸，直至断裂，来测

57、量涂层与试样表面的结合强度。在喷涂过程中，涂层质量受到众多工艺参数的影响。本实验主要选择喷涂距离、主气流量、送粉速率、功率4个工艺参数，按四因素三水平的L9（34）32,33正交表进行喷涂试验，具体工艺参数见表2-3，2-4。其他工艺参数为：载气流量10Lmin-1，喷枪移动速度200mms-1，步距3mm，送粉方式为外送粉，预热温度为150，涂层厚度控制为0.50.6mm。表2-3 等离子喷涂功率参数功率/kw303545电压/V404246电流/A550600650表2-4 等离子喷涂工艺参数试验号喷涂距离A/mm主气流量B/Lmin-1送粉速率C/gmin-1功率D/kw11(90)1(

58、54.1)3(25)2(35)22(100)1(54.1)1(15)1(30)33(110)1(54.1)2(20)3(45)41(90)2(56.6)2(20)1(35)52(100)2(56.6)3(25)3(30)63(110)2(56.6)1(15)2(3571(90)3(63.7)1(15)3(45)82(100)3(63.7)2(20)2(35)93(110)3(63.7)3(25)1(30)试样喷涂好后，用调配好的双组分环氧型E-7胶将试样与加载块胶接成拉伸试样，如图2-5所示。为保证胶接质量，将试样放在如图2-6所示的专用夹具上静止5h以上，再放入烘箱中于100烘4h，使胶水固

59、化。采用CMT5205电子万能试验机进行拉伸试验，加载速率为165N/s，测定涂层与基体间的结合强度，每组试样做3个，试验结果取平均值；采用JSM-6480扫描电镜观察涂层的显微组织结构，并对涂层组织进行 硬度检测。（5）喷涂显微硬度测试将圆柱形试样切成长方体小块，将小块镶嵌后标上号再依次进行打磨，依次用1号、3号、4号砂纸打磨，之后用抛光机抛光直到表面无划痕，从而使图层与基体光滑平整。将金相试样置于MH-5显微硬度计上，沿基体到涂层表面和涂层内部与基体平行两直线方向检测显微硬度。载荷为50g，加载时间5s，每个方向不少于20个数据，分析其硬度分布规律。为了防止压痕残余应力场的影响，每个测量点

60、中心间的距离应大于压痕对角线长度的3倍以上，本试验中，每两个测量点间隔为0.04mm。 图2-5 胶接夹具 图2-6拉伸试样示意图2.4 材料的组织形貌分析(1) 金相显微观察将热处理过的合金试样，在金相试样预磨机上依次进行粗磨、细磨，接着在金相试样抛光机进行粗抛和精抛，使试样表面成为无划痕、污迹的镜面。经过抛光的试样先用酒精擦洗抛光面，并用吹风机吹干，接着用三氯化铁盐酸水溶液侵蚀10s左右。腐蚀结束后用清水冲洗，再用酒精清洗，最后用吹风机吹干。试样制成后，进行金相显微组织观察。 (2) 扫描电镜观察及能谱分析在JSM-6480扫描电子显微镜上进行显微组织观察，在英国牛津INCA能谱仪上进行能谱分析(EDS)。金相样品深腐蚀后观察其显微组织形貌并进行能谱分析，截取拉伸试样断口观察其断口形貌，最后保存分析图谱和分析结果。2.5 性能测试2.5.1 硬度根据GB/T231.1-2002金属布氏硬度试验方法，采用HB-3000型布氏硬度机测定试验材料的硬度，压头直径为5mm，使用的载荷分别为250N和750N。试样经2#金相砂纸研磨，每个试样测试3个点，取