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超音速火焰喷涂替代镀铬技术修复导轨研究和应用
Study and Application of Repairing Rail with High Velocity Oxygen Fuel Spray instead of Hard Chrome Plating
与等离子喷涂层和电镀硬铬层相比，超音速火焰喷涂（HVOF）层具有结合强度高、致密、耐磨损性能优越等特点。针对某型飞机燃油接收探管外筒导轨铬层损伤剥落这一多发性故障，采用超音速火焰喷涂替代镀铬修复，对该导轨损伤进行可行性研究和验证、模拟试验、样件验证、装机监控使用，显现出超音速火焰喷涂层优越的性能。
摘要： 与等离子喷涂层和电镀硬铬层相比，超音速火焰喷涂（HVOF）层具有结合强度高、致密、耐磨损性能优越等特点。针对某型飞机燃油接收探管外筒导轨铬层损伤剥落这一多发性故障，采用超音速火焰喷涂替代镀铬修复，对该导轨损伤进行可行性研究和验证、模拟试验、样件验证、装机监控使用，显现出超音速火焰喷涂层优越的性能。&&
Abstract：
Compared with plasma spray layer and hard chrome plating layer, the layer of high ve- locity oxygen fuel (HVOF) spray has the features like higher combined strength, compactness, and superior abrasion. Aiming at the repeated breakdown of rail chrome layer' s peeling off of fuel receiving equipment in some airplane, the paper uses HVOF to repair it instead of chrome plating. Through the research of rail damage, imitating experiment, sample validation, and installation supervision use, the HVOF' s superiority is presented.
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1、姓名：周克崧2、性别：男3、出生日期：4、职称：教授级高工& 单位：新材料研究所5、专业方向：材料学&&& 研究方向：材料表面工程技术6、电子邮件地址：7、办公电话：020－8、照片9、个人简介周克崧院士，男，祖籍湖南长沙，1941年生于上海，1965年毕业于清华大学物理系，1971年至今在广州有色金属研究院工作，年在美国纽约州立大学石溪分校作为访问学者从事材料表面技术研究工作。周克崧院士是我国材料表面科学与工程技术领域的知名专家，教授级高工，博士生导师，曾任广州有色金属研究院院长。2009年当选中国工程院化工、冶金与材料工程学部院士。周克崧教授三十多年来主要从事热喷涂、薄膜和激光等表面工程方面的研究工作，在低压等离子喷涂、热喷涂技术替代电镀硬铬、高性能薄膜和热喷涂与激光的复合技术进行了许多开创性的工作，多项技术已经成功应用于军工、钢铁、包装印刷和核能等国民经济部门，并取得了巨大的社会效益和经济效益。培养和组建了一个既能完成国家重要研究课题，又能将科研成果工程化的团队。先后承担和主持了国家973、863、军工配套等国家项目和省市项目近50项。其中获国家科技进步二等奖1项，省部级一等奖3项、二等奖9项、三等奖7项。1993年获国务院政府特殊津贴，1995和2006年两次获国防军工配套先进工作者称号，2001年被中国科协评为全国优秀科技工作者。曾先后担任中国有色金属学会常务理事、中国表面工程协会常务理事、中国材料学会常务理事和热喷涂协会副理事长，现任中国机械工程学会再制造分会副主任委员。周克崧教授先后发表论文130多篇，编著了《现代材料表面技术科学》和《金刚石薄膜沉积制备工艺与应用》两书，参编了《现代表面工程设计手册》。10、工作学习经历　5.8 &在清华大学核材料专业学习1965.8－1971.8 北京有色金属研究院　工作　技术员1971.8－1980.10 广州有色金属研究院& 工作& 工程师4.12 美国纽约州立大学&& 访问学者1984.12-至今&& 广州有色金属研究院& 历任副主任\副院长\院长11、在研方向及在研课题　&12、学术活动和研究生培养情况　1.&课题组学术气氛浓厚，在国际上有广泛学术交流，与乌克兰、德国、俄国、日本、美国等高校进行了密切合作，不定期组织学生参加国内的技术交流会，同时在课题组内部定期进行小型学术交流会。2.&多年来，课题组培养了近二十名博士、硕士研究生。3.&定期组织学生参加各种文体活动。&13、发明专利　申请国家专利7项，&14、代表论文　K. S. Zhou, H. Herman. Cavitiation erosion of titanium and Ti-6Al-4V effect of nitriding, Wear, 1982.K. S. Zhou, H. Herman. Cavitiation erosion behavior of Boron-implanted titanium and Ti-6Al-4V, Surface technology, 1983.K. S. Zhou, D. Z. Wang, M. Liu. A study of cavitation erosion behavior of Ti-Ni alloy coating, Surface and coating technology, 1987.K. S. Zhou, M. J. Dai, T. C. Kuang, et al. Evaluation of diamond film on cemented carbides substrate, Surface engineering, 1999.R. J. Hong, K. S. Zhou, D. Z. Wang, et al. Preparation and Characterization of LPPS NiCoCrAlYTa coating for gas turbine engine, Trans. Nonferrous Metals Society of China, ).周克崧. 热喷涂代替度硬铬的研究进展，中国有色金属学报，2004，14（5）.H. X. Chen, K. S. Zhou, Z. P. Jin, Diffusion and phase transformation substrate/NiCrAlY interface in Y-PSZ thermal barrier coatings, Journal of thermal spray technology, 2004.邓春明，刘敏，周克崧，等.300M钢超音速火焰喷涂WC/17Co涂层的疲劳性能，航空材料学报，2007.梁兴华, 周克崧, 刘敏, 等. NiCoCrAlYTa 涂层/镍基单晶高温合金界面再结晶，稀有金属材料与工程，2009，38（3）.邓春明，周克崧，刘敏，等. 低压等离子喷涂氧化铝涂层的特性, 无机材料学报，2009, C. M. Deng，M. Liu，K. S. Zhou, et al., Impingement Resistance of HVAF WC-based Coatings, Journal of thermal spray technology, ).周克崧，邓春明，刘敏，超音速火焰喷涂WC涂层替代电镀硬铬：疲劳和摩擦磨损性能，中国工程科学，2009，11（10）：48~54周克崧, 梁兴华, 刘敏,等. 低压等离子喷涂NiCoCrAlYTa涂层氧化动力学研究[J].中国有色金属学报，).1周克崧，邓春明，邓畅光，刘敏，Ti-Ni低温超音速火焰喷涂层及激光处理后的特征，材料保护，2009，8.&伍超群; 周克崧; 刘敏;不同热喷涂技术制备镍基涂层的摩擦磨损性能，中国有色金属学报，2007.周克崧，邓春明，刘 敏，宋进兵，邓畅光，300M 钢基体上高速火焰喷涂WC-17Co 和WC-10Co4Cr 涂层的疲劳和抗盐雾腐蚀性能，稀有金属材料与工程，2009，38（4）：671~676 邓春明，周克崧，刘敏，邓畅光，宋进兵，郑志刚. 低压等离子喷涂氧化铝涂层的特性[J] .无机材料学报，2009，24（1）：117-121QU Quan-yan，QIU Wan-qi，ZENG De-chang，LIU Zhong-wu，DAI Ming-jiang，ZHOU Ke-song. Effects of deposition parameters on microstructure and thermal conductivity of diamond films deposited by DC arc plasma jet chemical vapor deposition[J], Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2009，19（1）：梁兴华，周克崧，刘敏，邓畅光. NiCoCrAlYTa涂层/镍基单晶高温合金界面再结晶[J].稀有金属材料与工程，2009，38（3）：545-549周克崧，邓春明，邓畅光，刘敏. 低温超音速火焰喷涂Ti-Ni涂层及激光处理涂层的表征[J]，材料保护，2009，42（8）：13-14周克崧，梁兴华，刘敏，邓畅光. 低压等离子喷涂NiCoCrAlYTa涂层的氧化动力学[J]，中国有色金属学报，2009，19（3）：490-496周克崧，邓春明，刘敏，宋进兵，邓畅光. 300M钢基体上高速火焰喷涂WC-17Co和WC-10Co4Cr涂层的疲劳和抗盐雾腐蚀性能[J].稀有金属材料与工程，2009，38（4）：671-676梁兴华，周克崧，刘敏，洪瑞江，邓畅光，罗顺. 低压等离子喷涂NiCoCrAlYTa涂层高温抗氧化性能[J].中国表面工程，2009，22（2）：26-30 Liang Xing Hua, Zhou.K.S, Liu.min,et al.. Microstructure and Oxidation of NiCoCrAlYTa Coating by Low Pressure Plasma Spraying[J]. Surface Review and Letters. Vol. 16, No.3 ,2009（9）：375-380邓畅光，伍超群，邓春明，周克崧.& Al2O3对高速火焰喷涂镍基涂层抗热疲劳性能的影响[J]，材料保护，2009，42（10）:　G.-N. Luo, M. Liu, Z.Q. Kuang, X.D. Zhang, Z.S. Yang, C.G. Deng, Z.C. Zhang, J.G. Li, K.S. Zhou. Directly-cooled VPS-W/Cu limiter and its preliminary results in HT-7[J], Journal of Nuclear Materials, 363-365: 周克崧，邓春明，刘敏. 超音速火焰喷涂WC涂层替代电镀硬铬：疲劳和摩擦磨损性能[J], 中国工程科学，2009,11（10）：48-54.周克崧，刘敏，邓春明， 等. 新型热喷涂及其复合技术的进展[J]，中国材料进展，2009.，28（9）：1-8朱晖朝，邓春明，周克崧，等. 不同氧化铝粉末等离子喷涂氧化铝涂层的性能[J]，材料研究与应用，2009, 3（3）：153-157马文有，陈星驰，周克崧，等. 铜合金表面热喷涂镍基合金层激光重熔后的显微组织及耐磨性能[J], 材料保护，2010，43（2）：47-49邓春明，周克崧，刘敏，等. 大气等离子喷涂Al2O3&3％TiO2涂层的性能[J]，中国表面工程，2010, 23（1）：19-23&15、所获奖项　&&&&&&&
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电话：020-38622 　　传真： 　　E-mail：gzrinm@mail.gzrinm.com
版权所有 (C) 2010 广州有色金属研究院　　粤ICP备号var searchResultHtml=$("#tabSearchResult").html();
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题名: 热喷涂制备超硬高耐蚀Fe基非晶态合金涂层研究
学位类别: 硕士
授予单位: 中国科学院金属研究所
授予地点: 金属研究所
导师: 王建强
关键词: 铁基非晶态合金
学位专业: 材料学
中文摘要: 铁基非晶态合金具有超高强度和硬度、优异耐蚀性和耐磨性以及成本低廉等优点，近年来备受研究人员关注。然而该类材料塑性很差，极大程度地限制了其作为结构材料的应用。鉴于铁基非晶态合金优异的耐蚀和耐磨特性，其作为表面涂层材料将具有更广阔的应用前景。热喷涂制备的铁基非晶态合金涂层具有超高的硬度、优异的耐腐蚀性和耐冲蚀行为，因此为许多应用领域，诸如替代硬铬、船舶、油气田及水力设施、核废料处理等提供了一种优异的材料载体。本文选用了三种具有良好玻璃形成能力的铁基非晶态合金成分，利用三电极等离子喷涂技术(Axial III)和超音速火焰喷涂技术(HVOF) 成功制备出高性能铁基非晶态合金涂层，详细研究了不同热喷涂方法制备的涂层结构特征及其性能，并对涂层的非晶相形成机制进行了分析。主要结论如下：
1 利用三电极等离子喷涂方法制备出高致密度低氧含量的 FeCrMoMnWBCSi非晶合金涂层。涂层孔隙率为 0.1%，氧含量为 0.12%，显微硬度高达 1081 HV，并表现出优异的耐腐蚀和耐冲蚀性能。在涂层制备过程中，较细的粉末粒度和较高的等离子电流有利于降低涂层孔隙率和提高非晶相的含量；涂层的沉积效率敏感于喷涂距离的变化；非晶相的含量随涂层厚度的增加而降低。
2 采用HVOF 技术制备的 FeCrMoMnWBCSi 非晶合金涂层具有结构致密、高的结合强度、超高的硬度以及优异的耐腐蚀和耐冲蚀性能等特点。涂层的微观组织与性能敏感于HVOF的送粉速率、喷涂距离及氧/燃气流量比等参数。过高或过低的送粉速率均不利于涂层致密度的提高和非晶相的形成，较大的氧/燃气流量比有利于降低涂层的孔隙率。喷涂距离影响着颗粒的热量传输、涂层致密度及非晶相含量。在送粉速率为30 g/min，氧/燃气流量比为4.5，喷涂距离为225 mm时制备的涂层孔隙率为0.19%，1 M HCl 溶液中涂层的钝化电流密度仅为8.8×10-5 A/cm2。
3 涂层的结构与性能敏感于喷涂方法和材料成分。三电极等离子喷涂可显著降低涂层的氧含量，FeCrMoMnWBCSi非晶涂层中氧含量仅为0.12%，然而HVOF Fe48Cr15Mo14Y2C15B6 非晶涂层中氧含量达2.0%。超音速火焰喷涂制备的涂层硬度优于等离子喷涂制备的涂层。其中，HVOF FeCrMoGdBC非晶态合金涂层显微硬度高达1354 HV, 而Axial III等离子喷涂制备的相应涂层硬度则为1150 HV，纳米晶的析出提高了涂层的硬度。材料成分和涂层的致密性对涂层耐蚀性影响明显，HVOF FeCrMoMnWBCSi非晶合金涂层的钝化电流密度较 Fe48Cr15Mo14Y2C15B6 涂层低10倍左右，表现出更佳的钝化行为。
4 粉末的流动性及氧化程度对涂层的组织和非晶相的形成有显著影响，流动性越好、氧化程度越低，越有利于获得致密度与非晶含量高的涂层。热喷涂过程中非晶涂层的形成与原始粉末的再熔化和快速凝固密切相关。
语种: 中文
内容类型: 学位论文
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热喷涂制备超硬高耐蚀Fe基非晶态合金涂层研究.刘晓强[d].中国科学院金属研究所,
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Items in IR are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.&超音速火焰喷涂技术的认识和发展应用超音速火焰喷涂技术的认识和发展应用科研圈的那些事百家号超音速火焰喷涂也称为高速氧燃料喷涂（HVOF，HighVelocityOxy-fuel），是在20世纪80年代初在普通火焰喷涂和爆炸喷涂的基础上发展起来的一种新型热喷涂技术，发挥了传统的火焰喷涂在提供动能方面具有潜在优势而发展起来的一种高能高速喷涂方法。超音速火焰喷涂的热源是利用可燃性气体（如H2、C3H3或C3H6等）与高压O2，或利用煤油与酒精等液体燃料与高压O2在特制的燃烧室内混合并点燃，或在特殊的喷嘴中燃烧产生的高温高速火焰流，剧烈膨胀的气体受水冷喷嘴的约束形成超音速高温火焰流，其燃烧焰流速度可达m/s以上。在典型的超音速火焰中，可以观察到马赫锥的存在。粉末由氮气经粉末送入口送到燃烧室中心的粉末通道，将粉末轴向或侧向送进火焰流中，经火焰流加速可以达到超音速，即可以实现粉末粒子的加热与加速、涂层的沉积。由于火焰流的速度极高，喷涂粒子在被加热至熔化或半熔化状态的同时，可以被加速到高达300-- 650m/s，从而获得结合强度高、致密的高质量涂层。在HVOF技术中，喷枪是产生稳定的高速火焰的必要保证，是保证涂层质量的关键。HVOF喷枪主要由三部分组成：供空气与燃料混合后燃烧的燃烧室，将焰流加速到超音速的Laval喷嘴和使喷涂材料粒子得到充分加热、加速的等截面长喷管。 超音速火焰由于受燃烧焰流温度的限制，与等离子热源相比，温度低（约3000℃）而速度高，对于 WC-Co系硬质合金，可以有效地抑制在喷涂过程中WC的分解，涂层不仅结合强度高、致密，而且可以最大限度地保留粉末中的硬质耐磨WC相，因此，涂层耐磨损性能优越，与爆炸喷涂层相当，大幅度超过等离子喷涂层，也优于电镀硬铬层与喷焊层，目前已获得了广泛的应用。世界上第一台超音速火焰喷涂系统是由美国 Browning公司于1982年研制成功。经过多年的不断研发与应用，其特有的技术优点逐渐被认识和接受。因此，很多发达国家都在HVOF的研究和开发领域投入了大量的人力物力。在上世纪80年代末90年代初，先后又有多种HVOF喷涂系统研制成功，并顺利投入市场。如金刚石射流（Diamond-Jet）、 冲锋枪（Top-Gun）、连续爆炸喷涂（CDS，Continuous DetonationSpraying）、射流枪（J-Gun）、高速空气燃料系统（HVAF，HighvelocityAir-Fuel）等，这些系统各有特点。涂层的质量在很大程度上取决于喷涂方法，但也会受到具体喷涂系统的影响。随着HVOF的开发与应用，各种喷涂系统也均相应地进行了不断改进与完善，为此，取代原型的新型 HVOF喷涂系统不断涌现，如J-K的改进型Jet-KoteⅡ，Top-Gun的派生型HV-2000型，分别由DJ与J-gun派生的DJ-2600，DJ-2700与JP-5000型。最近又开发了高频脉冲爆炸式HVOF系统，通过控制可以使爆炸频率远高于传统的爆炸喷涂。根据系统发展过程及其速度特性，Jet-Kote被称为第一代HVOF，JP-5000型与DJ2000系列被称为第三代HVOF系统，其它HVOF系统称为第二代 HVOF。第一代与第二代HVOF具有类似的火焰速度特性，因此，涂层的沉积特性及其性能无大幅度的变化。第三代HVOF的喷枪喷嘴采用拉伐尔喷管，具有更高的速度，喷涂过程中粒子的熔化程度更有限，在喷涂过程中除了可以有效抑制WC的分解外，粒子在沉积过程中，将会产生明显的喷丸效应，使涂 层产生压缩残余应力，可以有效地提高涂层的表观结合强度。基于HVOF在制备金属陶瓷涂层时的特点，近年来又提出了主要依靠粒子的高速度制备涂层的新的方法，如HVIF（HighVelocityImpact Fusion）喷涂法，冷喷涂法（ColdSpraying），特别是冷喷涂工艺，由于可以制备氧化非常有限的金属涂层，受到了广泛的关注，目前发展很快。本文由百家号作者上传并发布，百家号仅提供信息发布平台。文章仅代表作者个人观点，不代表百度立场。未经作者许可，不得转载。科研圈的那些事百家号最近更新：简介:数理领域科研讨论，材料科学功能研究作者最新文章相关文章热点新闻：
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联系人：李念峰&
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超音速火焰喷涂技术制备碳化钨涂层
&超音速火焰喷涂碳化钨涂层可以替代电镀硬铬层。超音速火焰喷涂由于可以快速地沉积硬度较高的耐磨损耐腐蚀涂层，从而被认为是最有可能替代电镀硬铬的工艺。目前国外主要评价了氧气助燃超音速火焰（HVOF）喷涂制备WC涂层替代电镀硬铬的综合性，包括涂层对基体疲劳性能的影响、涂层的摩擦磨损和韧性等。采用超音速火焰喷涂（HVOF）可以制备WC-CoCr涂层替代硬铬镀层。空气助燃超音速火焰喷涂（HVAF）具有火焰温度更低，粒子速度更高的特点，超音速火焰喷涂WC涂层可以提高起落架超高强钢的疲劳性能。WC-Co是常用的WC系涂层材料具有良好的韧性但抗盐雾腐蚀性能较差；WC-CoCr是在WC-Co上发展起来的，其特点是具有良好的抗腐蚀性能，具有抗疲劳和耐摩擦磨损性能。超音速火焰喷涂WC涂层具有较高的抗热疲劳性能。采用HVOF技术喷涂WC涂层，并对涂层的抗热疲劳行为进行研究。试验结果表明HVOF涂层经过热震试验后涂层均保持完好无损未出现裂纹及剥落等任何缺陷。这充分说明了HVOF涂层具有非常高的抗热疲劳性能[5-8]。超音速火焰喷涂（HVOF）技术是热喷涂领域的进步，HVOF可以大幅度提高热喷涂涂层的结合强度。因此HVOF技术对提高涂层的抗热疲劳性能有很大贡献。因此采用HVOF技术制备WC涂层并对涂层的抗热疲劳性能进行检测[5-8]。超音速火焰喷涂制备的碳化钨涂层具有良好的抗高温氧化和耐冲蚀性能。采用超音速火焰喷涂（HVOF）技术喷涂WC涂层，并对其抗高温氧化性能和耐冲蚀性能进行测定。HVOF制备的WC-17Co、WC-12Co、NiCrBSi+35WC涂层具有非常良好的抗高温氧化性能和耐冲蚀性能。其中WC-17Co涂层表现出优良的抗冲蚀能力。利用超音速火焰喷涂技术（HVAF）可以制备WC-10%Co4%Cr涂层并研究其性能。利用空气助燃超音速火焰喷涂（HVAF）制备WC-10%Co4%Cr涂层，研究喷涂粉末粒径、WC颗粒大小等对涂层的喷涂沉积率、硬度、韧性、结合强度和耐腐蚀等综合性能的影响。&
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