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原文传递大气等离子喷涂热障涂层抗热震性能的应用研究

论文题名：	大气等离子喷涂热障涂层抗热震性能的应用研究
关键词：	汽车发动机;热障涂层;大气等离子喷涂;抗热震性能
摘要：	中国自21世纪以来汽车行业取得飞速发展，轿车快速走入寻常百姓家，需求量逐年增加，这推动着汽车行业的发展，为了响应碳达峰碳中和这一绿色工业革命，增加发动机的热效率迫在眉睫，而发动机中燃料所产生的能量只有三分之一用作有用功，因此人们对于汽车发动机如何减少燃气能量的损失进行了广泛的研究。　　本文基于热障涂层具有良好的隔热性特点，由于增加活塞表面温度能够提升发动机的热效率，故采用大气等离子喷涂工艺在活塞以及燃气涡轮表面制备热障涂层，并对其进行一系列的性能测试，研究了热障涂层失效的机理，所得的主要研究成果如下：　　首先使用Solidworks软件画出活塞三维图，随后使用ANSYS将活塞进行稳态热分析模拟仿真。研究了铝合金与铸铁活塞温度场的分布情况。结果表明喷涂热障涂层前后温度存在差值，说明热障涂层能够起到良好的隔热效果。　　本文选取五种粘结层材料，分别是镍包铝粉末（JZGR-502F）、NiCoCrAlTaY（Amdry997）、NiCrAlY（Amdry962）、镍5%铝（Metco450NS）、镍20%铝（Metco404NS），陶瓷层材料为8YSZ（Metco204NS）。采用大气等离子喷涂工艺在铝合金与铸铁活塞以及钢片表面制备热障涂层；采用X射线衍射、扫描电子显微镜、热重差热分析仪观察粉末以及涂层的相关特征。　　氧乙炔火焰冲击试验证明，热障涂层具有良好的隔热性能，可以降低活塞表面温度，保护活塞顶。通过对铝合金活塞与铸铁活塞进行热震实验来分析涂层的失效形式以及失效机理。研究发现铝合金与铸铁活塞在经历70次热震实验后热障涂层均未发生脱落，说明这四种粘结层材料均能够作为热障涂层粘结层，且能够长时间运行；将热震实验温度由550℃升高至800℃，并对铸铁活塞进行热震实验后发现粘结层为Metco404NS以及Metco450NS的热障涂层热震寿命较短，仅为12次与19次，而粘结层为Amdry997与Amdry962的热障涂层寿命为70次，说明这两种粘结层材料的耐高温性能优于Metco404NS以及Metco450NS。本文中涂层的失效形式主要有两种，一种是粘结层与活塞基体之间的整体脱落，出现这种现象的原因为活塞顶部边角较为尖锐，喷涂后的热障涂层会产生应力集中的问题；在热震实验过程中，温度发生急剧变化，导致基体与粘结层界面之间形成高温拉应力与低温压应力，最终导致基体与粘结层界面发生脱落，这种脱落方式较为少见，多是由于粘结层材料与活塞基体热膨胀系数不匹配导致的。另一种失效形式是发生在陶瓷层内部的层间脱落，产生的原因为制备的热障涂层采用大气等离子喷涂工艺，涂层为典型的层状结构，且存在微裂纹及孔隙等缺陷，随着热震试验次数的不断增加，涂层内的热应力随之提高，应力作用的主要部位为涂层内的缺陷处，缺陷处的裂纹在热应力的基础上进一步扩大，当超过某一临界值导致涂层发生脱落。　　最后在燃气涡轮零部件表面制备热障涂层并对其进行试车实验，对制备的样片进行拉伸试验、硬度值测试。结果表明试车实验后未发生涂层脱落等现象，热障涂层的结合强度以及硬度值均符合标准要求，说明热障涂层能够承受高温环境，符合要求。
作者：	居超
专业：	机械工程
导师：	孙志平
授予学位：	硕士
授予学位单位：	齐鲁工业大学
学位年度：	2022