等离子体喷涂自修复型多层结构MgO厚涂层设计、制备与表征

作     者：庄铭翔 

作者单位：上海工程技术大学 

学位级别：硕士

导师姓名：袁建辉;王亮

授予年度：2021年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：等离子喷涂 自修复 MgO涂层 有限元 

摘      要：等离子体喷涂是以等离子电弧作为热源,将陶瓷、合金、金属等材料加热到熔融或半熔融状态,并高速喷向经过预处理的工件表面而形成附着牢固的表面层的方法。但裂纹是等离子体喷涂涂层中最为致命的缺陷,裂纹的控制问题是喷涂过程中最棘手的问题,因此,亟需发展等离子体喷涂中的自修复成形技术,并推进其工业化进程,从而解决裂纹控制问题。MgO厚涂层在核工业坩埚领域具有广泛的应用前景,但如何控制其裂纹扩展是当前的难点问题。具有自愈合效应的陶瓷涂层在高温服役条件下能够自我填充裂纹缝隙,达到减缓或抑制裂纹扩展的目的。如果在MgO厚涂层的服役过程中实现裂纹的自修复,将为其延寿和拓宽应用领域指明道路。因此研究MgO厚涂层的裂纹扩展及自修复机理,进而优化其制备工艺,具有十分重要的意义。制备性能优异的MgO涂层的关键是找到一种优化的涂层结构,该结构应具有合适的单层厚度,自修复剂含量和低残余应力值。碳化钛(Ti C)因其优异性能常被作为涂层中的自修复剂,在生物医药和热障涂层领域已获得应用,且Ti C颗粒与氧气反应生成的Ti O2表现出良好的阻隔氧气侵蚀作用。本文采用有限元方法(FEM)进行了大气等离子喷涂(APS)制备的自修复MgO涂层的结构设计和优化,通过对涂层和界面特殊点的应力分析,设计出合适的涂层结构。主要研究涂层的厚度,组成成分以及对流传热系数(CHTC)对涂层残余应力的影响,预测涂层失效模式,获得喷涂过程中优化的单层厚度和制造方法。同时,以机械混合的Ti C和MgO作为原料,在核工业坩埚(其基体材料为GH3128)表面制备复合涂层并进行表征。获得的主要结论如下:(1)在高温环境下,通过涂层中的裂纹向镶嵌在MgO中的Ti C粒子局部供氧而生成Ti O,该Ti O一方面可填充裂纹,另一方面紧密附着在裂纹的表面。有限元模拟研究表明氧化后的Ti C的体积最大可以增大53%。因此,自修复反应将导致部分或完全恢复材料的机械性能,从而延长材料使用寿命。(2)通过有限元模拟计算对MgO层的厚度进行优化设计,厚度设计范围从240μm到400μm,发现当厚度为380μm的时候,最符合在高温服役环境中有最大的使用寿命的特点。(3)通过有限元模拟计算对自修复层(MTC)进行设计与优化。在模拟环境中,MTC层厚度为100μm时,各层的高温热失配最小,应力状态最为合适。(4)通过有限元模拟计算对涂层结构和自修复剂含量进行设计,同时对涂层在冷却环境的对流系数进行优化,基于有限元设计获得了MgO层和自修复层的最优厚度。经试验论证,有限元模拟的结果与试验结果高度匹配。综上所述,本文基于有限元模拟计算结果的指导,成功制备出自修复型MgO厚涂层,为促进MgO厚涂层在核工业坩埚上的广泛应用提供试验指导和理论支撑。