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关于特氟龙涂层工艺的性能要求

浏览: 发表时间:2019-12-18 16:40:45

        特氟龙涂层利用等离子喷涂工艺制备热障涂层,并将其应用于发动机热端部件,可显著提高发动机耐高温、抗热冲击、长寿命等服役性能要求,已成为发展新型高性能发动机的一项关键技术,在航空、航天、车辆、船舶等领域有着广泛的应用但等离子喷涂工艺参数众多,涉及喷枪内部复杂的物理化学反应、带化学反应的湍流射流场、射流场与颗粒群的流固耦合作用、颗粒群在基体表面的沉积及涂层生长过程、熔融颗粒高速碰撞于基体表面的变形机理等,使长期以来工程技术人员多以经验为主进行相关工艺参数优化。不仅如此,涂层内部的微观结构也十分复杂,包含各种微孔洞、微裂纹等缺陷,且存在大量的片层粒子间界面,将显著影响涂层热导率、结合强度以及服役寿命等重要性能。热障涂层的研究始于20世纪40年代,在航空、航天、车辆、船舶等领域有着广泛的应用。所谓热障涂层,是指由金属黏结层(如NiCrCoAlY)和高熔点陶瓷(如Y2O2部分稳定的ZrO2)表面层组成的涂层系统,作用于发动机热端部件可起到良好的隔热作用。以航空发动机为例,随着其向高流量比、高推重比等更高性能方向发展,在发动机热端部件表面制备热障涂层已成为保证发动机使用安全性和可靠性的关键因素热障涂层的制备方法很多,主要有等离子喷涂法、气相沉积法(CVD、PVD或PCVD法)、高温自蔓延合成法、粒子排列法、粉末冶金法和离心铸造法等。而在制备热障涂层方面,等离子喷涂法具有明显的优势。等离子喷涂法利用喷枪产生的直流电弧加热工作气体(氩气(Ar)、氦气(He)等或其混合气体),通过离化和复合反应获得超高温(通常在10000℃以上)和高速等离子射流,熔化由载气送入的陶瓷、金属粉体材料,并最终使之与基体碰撞形成涂层。

        此外,等离子喷涂法还具有零件无变形、涂层种类多、工艺稳定、零件尺寸不受限制及涂层质量高等诸多优点,是目前制备热障涂层最实用的一种途径。采用等离子喷涂法制备热障涂层,所涉及的物理和化学过程十分复杂,其中包括等离子射流的生成,射流与特氟龙涂层之间的传热、传质及动量传递,颗粒与基体的相互作用,以及热障涂层的形成等,使得理论研究工作长时间滞后于技术应用的发展,许多喷涂现象的实质仍有待深入探索。所以长期以来,工程师们直都是凭经验和直觉甚至反复试验去加工,以获得所期望的热障涂层,这样往往费工费钱。随着计算机软、硬件技术的发展,利用数值模拟的方法进行虚拟加工,以寻求***的工艺方案,不仅可以提高产品加工质量,而且可以缩短研制周期,降低成本。不仅如此,热障涂层的服役环境极庋恶劣,通常要承受热沖击、高温氧化热腐蚀等多种侵害,加之涂层本身为多层结构,不同层之间的材料性能不同,使特氟龙涂层在实际服役过程中承受着复杂的应力场作用,最终导致热障涂层易过早剥落失效。通过数值模拟方法对涂层的关键热物理性能、力学性能及服役寿命等进行有效预测,揭示其失效机理,确定其主控因素,进而改进涂层制备工艺,具有十分重要的工程指导价值。常见的等离子体包括电弧等离子体、高频等离子体和燃烧等离子体。电弧等离子体以其功率大、操作方便等优点而获得了广泛的应用。

        电弧等离子体喷涂的原理是:借助流经亚声速或超声速喷嘴的非氧化性控制气氛来稳定并压缩电弧产生高温;当气体流经电弧时,温度可达10000℃以上;在此温度下,气体离化成等离子体射流从喷嘴中喷出。模拟等离子体射流遇到的主要困难是高温变物性和射流的流动状况。射流在上万度的温度下,必然伴随着气体热物理性质的大幅度变化。例如,1000K时Ar的密度、热导率和黏性系数分别为0487kg/m3、0.04W/(mK)和535×10kg/(ms);而在10000K的等离子体温度下,相应的Ar的密度、热导率与黏性系数分别为00478kg/m3、0.625W/(mK)和2.90×104kg/(ms)。因此,在计算过程中,必须考虑气体大幅度的物性变化等离子体射流模型认为气体是连续的多组分的反应介质,其热动力学与传输特性均与温度有关。应用于等离子喷涂的热等离子体通常由多种成分及其分解和电离的成分组成,它们包括双原子分子、单原子分子、分子离子、原子离子和自由电子。等离子体流动可能受到诸如偏离电离和分解平衡等化学动力学效应和多种组分的混合特性等的显著影响。此外,射流边界上的卷吸作用使得大量的环境气体进入射流,所以还涉及如何计算等离子体多组分混合物物性的问题。

关于特氟龙涂层工艺的性能要求
特氟龙涂层利用等离子喷涂工艺制备热障涂层,并将其应用于发动机热端部件,可显著提高发动机耐高温、抗热冲击、长寿命等服役性能要求,已成为发展新型高性能发动机的一项关键技术
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