摘 要

传统等离子喷涂在使用纳米粉体是需在喷涂前完成喷雾造粒工艺，这为喷涂工作带来许多问题与浪费；而液相等离子喷涂可利用液相送料省略造粉步骤，这为涂层制备带来了新的生机。本文利用悬浮液法及溶胶-凝胶法（sol-gel）制备了两种料浆体系，并采用FLUENT模拟软件模拟喷涂过程，以优化液相喷涂相关工艺参数及氧化铝涂层的性能。结果发现，浓度为0.75Mol/L的前驱体料浆抗沉降性能最为优良，固含量为15 wt.%的悬浮液料浆抗沉降性能较为优良。当压力泵进口初始压力为600kPa时，料浆的喷出速度较为合适，液滴的出射角度较为合理，利用改参数能达到更为优秀的喷涂效果。通过对悬浮液等离子喷涂法（SPS）和前驱体等离子喷涂法（SPPS）制得的涂层进行对比表征，发现两种制备方式均可制得α-Al₂O₃涂层，但采用溶胶-凝胶法制备的涂层在成分分布上更为均匀。

关键词：液相等离子喷涂；纳米结构；氧化铝涂层；

Abstract

Traditional plasma spraying uses nano-powder to complete the spray granulation process before spraying, which brings a lot of problems and waste. But liquid phase plasma spraying can use the liquid feed to omit making power, which brings something new to the coating preparation. In this paper, two slurry systems were prepared by suspension method and sol-gel method. The spray process was simulated by FLUENT simulation software to optimize the process parameters and the properties of the alumina coating. The results showed that the 0.75Mol/L precursor slurry anti-settling performance of the most excellent, the content of the suspension slurry with 15% solids content is quite good. When the initial pressure of the inlet of the pressure pump is 600kPa, the jetting speed of the slurry is more suitable, the exit angle of the droplet is more reasonable, and the better spraying effect can be achieved by changing the parameter. The coating prepared by the suspension plasma spraying and the precursor plasma spraying were compared and characterized. It is found that α-Al₂O₃ coatings can be prepared by both two methods, however, the coating prepared by sol-gel method is more uniform in the distribution of components.

Keywords: Liquid plasma spraying, Nanostructures, nitrile rubber, Alumina coat

目录

摘 要 I

第一章 绪论 1

1.1选题背景及意义 1

1.2涂层成型机理概述 2

1.3 液相等离子喷涂概述 2

1.4氧化铝涂层概述 3

1.4.1 氧化铝涂层主要制备方法 4

1.4.2氧化铝涂层国外研究现状 5

1.4.3氧化铝涂层国内研究现状 5

1.5 课题研究目的与内容 6

1.5.1研究目的 7

1.5.2研究内容 7

第二章 涂层料浆制备及性能表征 8

2.1涂层原料 8

2.1.1基体材料 8

2.1.2粘结层材料 8

2.1.3陶瓷层材料 8

2.3 料浆制备 9

2.3.1悬浮液料浆制备 9

2.3.2前驱体料浆制备 10

2.4实验仪器及设备 11

2.5性能表征 12

2.5.1料浆性能分析 12

2.5.2涂层性能分析 12

第三章 数值模拟的理论及方法 14

3.1 FLUENT软件简介 14

3.2数值模拟流体力学基础 14

3.3模拟前处理 15

3. 4参数设置 18

3.5模拟后处理 22

3.5.1 料浆压力场分布有限元模拟结果 22

3.5.2 料浆速度场分布有限元模拟结果 24

3.6模拟结果综合分析及对送料工艺的意义 26

第四章 数值模拟的理论及方法 30

4.1浓度对料浆稳定性能的影响 30

4.1.1悬浮液稳定性能 30

4.1.2溶胶前驱体溶液稳定性能 31

4.2涂层微观形貌分析 31

4.3涂层XRD分析 34

第五章 结论 36

参考文献 37

致谢 40

第一章 绪论

1.1 选题背景及意义

热喷涂耐磨涂层是采用等离子喷涂、电弧喷涂、火焰喷涂等工艺于金属表面喷涂陶瓷、合金、氧化物等材料形成的耐磨涂层^[1]。它通常是厚膜覆盖层，其涂层厚度范围从约50微米至毫米尺寸。主要优点是其选材具有多样性、可扩展性、定制微结构的能力^[2]。热喷涂技术虽然具有设备简单、工艺灵活、涂层沉积效率高等优点，但这一项技术目前仍然多用于制备低温涂层，当制备陶瓷或金属间化合物涂层时，因为它本身喷涂火焰温度低等局限性很难获得高质量金属基陶瓷涂层^[3]。

随着表面科学快速发展，等离子喷涂在原子能、航空航天等高端工业领域已经获得许多的应用。根据相关文献报道，使用有效的表面技术^[4-5]可以很好地减轻器件的磨损，使器件具有更长的使用寿命，这能节约能源，促进经济效应的增长。这种技术是在零件表面制造一层新的表面，从而达到改性的目的。近几年,由于微纳尺度功能材料的精进，液料等离子喷涂工艺存在巨大潜力等待开发^[6-7]。

但是，因为等离子喷涂技术涉及很多问题，常规手段很难对其进行检测。从宏观角度分析，等离子体的性质包含许多参量，如密度、成分、速度、温度、压力等，丰富深奥的输运性质关系和复杂困难的集体运动模式等；从微观角度分析，等离子体包括许多种不同的粒子，粒子之间出现双体与多体、弹性与非弹性、库伦与非库伦的碰撞机制以及粒子与外界气流、电场、磁场的相互作用等，没有哪一项是目前得到了很好解释的^[8-9]。