摘要
莫来石具有耐高温，抗氧化，高强度，热膨胀系数、热导系数较小等良好的物理和化学性能，而且莫来石原料丰富、制备简单、价格便宜。研究使用莫来石陶瓷涂层应用于工业烟气轮机叶片、转炉炼钢氧枪喷头及大量的各种炉内受热零件基材作为功能涂层，进一步提高其表面性能，更好的保护基材现实意义重大。本文采用超音速等离子喷涂工艺制备了五组不同镍铬-莫来石配比的镍铬-莫来石陶瓷复合涂层，分别对涂层性能进行测试、对微观形貌结构及物相组织进行表征，研究了不同成分配比对涂层结构和性能的影响规律。 采用QM-3SP04行星式球磨机混制了五组不同镍铬-莫来石配比的复合粉末，使用DH-X2超音速等离子喷涂设备，以相同喷涂工艺参数在45钢基材表面制备了陶瓷复合涂层。分别使用DRE-Ⅲ导热系数测试仪、HT-1000型球盘式高温摩擦磨损试验机、FEG-450热场发射扫描电子显微镜、D8ADVANCE X射线衍射仪等对涂层的硬度、孔隙率、抗热震性、热障性和摩擦磨损性能进行了测试，对涂层表面和截面的微观形貌组织进行了表征分析。 涂层截面形貌以及XRD物相表明：五组涂层均表现出较为简单的相结构特征，晶体衍射峰以镍铬固溶体相和莫来石增强相为主，同时也存在部分AlNi3、AlNi4、AlNi2Si等化合物相特征峰。复合涂层的截面形貌，呈叠层堆砌的层状结构，涂层结合紧密，层间及涂层与基材结合均有冶金结合。 涂层硬度结果表明：五组涂层的显微硬度值均高于基材45钢，且硬度值随莫来石增强相的增加而增大，当莫来石体积分数达到75％时，涂层显微硬度值达到最大，为339.2HV。 涂层孔隙率结果表明：涂层中随着莫来石增强相的加入，孔隙率逐渐减小，当莫来石体积分数为75％时，孔隙率最小为0.9858%。 五组涂层的抗热震性试验表明：随着涂层中莫来石增强相的增加，涂层抗热震性表现越来越好，当莫来石体积分数达到75％时，涂层抗热震性最好，直至35次热震试验后才出现起皮现象。 涂层热导率测试结果表明：五组涂层隔热性能较好，且随莫来石含量的增加，涂层中陶瓷颗粒物增多，以及多种化合物的产生，明显阻隔热传导，故涂层热导率随之降低，当涂层中莫来石体积分数为75％时，涂层热导率达到最低为6.162W·m-1·K-1，涂层隔热性能最佳。 摩擦性能测试结果与分析表明：五组涂层的磨损量随着莫来石含量的增大而减小，且涂层的摩擦系数也随着莫来石含量的增大而逐渐减小，当莫来石含量为75％时，涂层的综合高温摩擦性能最佳。磨损形貌显示，五组涂层的摩擦磨损形式主要以磨粒磨损为主、粘着磨损为辅。 涂层喷涂工艺性分析表明：实际涂层中的莫来石上粉率与球磨混制复合粉末中莫来石的体积分数在一定区间呈反比。涂层表面SEM及EDS显示，随复合粉末中镍铬的增加，涂层中莫来石的体积分数随之升高，当镍铬粉末含量达到20％时，实际涂层莫来石含量最多，为75％，直到镍铬粉末含量达到22％时实际涂层中莫来石含量又下降至61％。 通过综合性能测试结果与分析认为，采用超音速等离子喷涂工艺制备镍铬-莫来石复合涂层具有显著的抗热震性能和热障性能，以及较高的硬度和耐磨性，且在莫来石体积分数达到为75%时，可获得综合力学性能最佳的金属陶瓷涂层。
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