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Inconel601不銹鋼板現(xiàn)貨慢速?zèng)_刷階段,即致密陶瓷層底部的磨粒磨損過(guò)程。失重和厚度損失法測(cè)試均表明羽-柱狀結(jié)構(gòu)7YSZ涂層抗沖刷性能不如層狀結(jié)構(gòu)7YSZ涂層,單根羽-柱狀結(jié)構(gòu)涂層顯微硬度是影響羽-柱狀7YSZ涂層抗沖刷性能的主要因素,因此噴距1250 mm涂層抗沖刷性能好。采用PS-PVD+APS復(fù)合工藝能有效改善羽-柱狀7YSZ涂層的抗沖刷性能,厚度約為20 μm致密7YSZ涂層在被沖破后,復(fù)合涂層仍然保持慢速?zèng)_刷速率,抗沖刷性能相對(duì)于羽-柱狀結(jié)構(gòu)7YSZ涂層提高了約4倍。4.羽-柱狀結(jié)構(gòu)7YSZ涂層在1050℃熱震過(guò)程中,涂層失效主要以點(diǎn)蝕剝落為主,點(diǎn)蝕剝落的主要原因是淬火應(yīng)力以及陶瓷層與基體之間的熱膨脹系數(shù)差異所形成的熱不匹配熱應(yīng)力(拉應(yīng)力)。在這兩種熱應(yīng)力下,單個(gè)羽-柱狀結(jié)構(gòu)陶瓷層內(nèi)將形成微裂紋,隨著熱震次數(shù)的增加,微裂紋貫穿整個(gè)單根羽-柱狀結(jié)構(gòu),從而發(fā)生點(diǎn)蝕剝落,當(dāng)相鄰羽-柱狀結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生點(diǎn)蝕剝落時(shí),將形成大面積的點(diǎn)蝕剝落區(qū),導(dǎo)致涂層失效。
羽-柱狀7YSZ涂層平均熱震壽命(208次)是層狀7YSZ涂層(139次)的1.5倍。隨著噴距增加,羽-柱狀7YSZ涂層孔隙率增加,應(yīng)變?nèi)菹尢岣?從而改善涂層的抗熱震性能。5.羽-柱狀結(jié)構(gòu)7YSZ涂層等效電路由四個(gè)串聯(lián)的R-C電路組成。對(duì)噴涂態(tài)涂層阻抗譜分析表明,隨著溫度的升高,阻抗譜中容抗弧數(shù)量減少,YSZ晶界電阻值(y)與孔隙率(x)存在指數(shù)關(guān)系y=(1.3)x+1.43×103。高溫氧化阻抗譜分析表明TGO層在高溫氧化50h后發(fā)生致密化使得TGO層電阻率增加,氧化過(guò)程中涂層表面形成的燒結(jié)收縮裂紋是導(dǎo)致YSZ晶界電容值不斷下降、電阻值不斷增加的主要原因;而二次柱狀晶的熔融燒結(jié)(即二次柱狀晶界減小),是抑制YSZ層電容值下降、電阻值增加的主要因素。熱沖擊阻抗譜分析表明,隨著熱沖擊次數(shù)的增加,TGO層電阻值增大,電容值減小,表明TGO層在熱沖擊過(guò)程中不斷生長(zhǎng)。熱沖擊對(duì)二次柱狀納米晶粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)無(wú)明顯影響,但在涂層表面燒結(jié)而成的收縮裂紋會(huì)造成YSZ晶界電阻值增加和電容值減小。研究指出微米顆粒能夠提高鋁基復(fù)合材料的強(qiáng)度和彈性模量,但會(huì)降低其塑性和韌性,而納米顆?？梢栽鰪?qiáng)鋁基復(fù)合材料的室溫強(qiáng)度而不降低塑性,并顯著提高其高溫力學(xué)性能等,因此納米顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料已逐漸成為發(fā)展高性能,輕量化*結(jié)構(gòu)材料的。根據(jù)納米顆粒加入方式不同,納米顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法分為內(nèi)生法和外加法。外加法制備的復(fù)合材料具有顆粒表面易污染,且分散不均勻等缺點(diǎn),難以達(dá)到預(yù)期增強(qiáng)效果。而內(nèi)生法制備的納米顆粒尺寸細(xì)小、表面無(wú)污染物、顆粒與基體界面結(jié)合好且分散相對(duì)均勻。
其中,燃燒合成法因具有設(shè)備工藝簡(jiǎn)單、產(chǎn)物純凈、合成速度快等突出優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。但該方法存在制備復(fù)合材料致密度低、難于合成尺寸小于100 nm的顆粒、合成納米顆粒不易分散等一系列亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)難題,同時(shí)關(guān)于該方法制備的復(fù)合材料組織和力學(xué)性能的研究較少且不夠深入。因此,需要進(jìn)一步探索和揭示燃燒合成法制備納米顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的工藝、組織和室溫高溫力學(xué)性能及其強(qiáng)化機(jī)制。本論文針對(duì)上述存在問(wèn)題,采用Al-Ti-C(碳源:碳納米管(CNTs)、石墨(graphite)、碳(C-black))體系燃燒合成+真空熱壓+熱擠壓成型的一體化技術(shù),制備納米TiC_p/Al-Cu-Mg復(fù)合材料的佳工藝。揭示出佳碳源為CNTs,成功制備出致密的性能優(yōu)異的納米TiC_p/Al-Cu-Mg復(fù)合材料。研究了納米TiC_p體積分?jǐn)?shù)、顆粒分散行為、界面結(jié)合等因素對(duì)內(nèi)生納米TiC_p/Al-Cu-Mg復(fù)合材料組織、室溫高溫力學(xué)性能、抗高溫蠕變和抗干摩擦磨損性能的影響規(guī)律和作用機(jī)制,揭示出內(nèi)生納米TiC_p/Al-Cu-Mg復(fù)合材料室溫高溫的強(qiáng)化機(jī)制、抗高溫蠕變機(jī)制和抗干摩擦磨損機(jī)制。本文主要研究結(jié)果如下:1)*采用Al-Ti-CNTs體系燃燒合成+真空熱壓+熱擠壓一體化技術(shù),成功制備出組織致密的納米TiC_p/Al-Cu-Mg復(fù)合材料。i)揭示出CNTs與石墨、炭相比,具有小的尺寸和大的比表面積,增加了碳源與反應(yīng)物的接觸面積,同時(shí)CNTs在反應(yīng)過(guò)程中溶解擴(kuò)散速度快,碳原子供應(yīng)充足,反應(yīng)時(shí)間短,從而制備的TiC_p顆粒尺寸小且形貌為近球形。ii)揭示出CNTs球磨預(yù)處理2 h對(duì)促進(jìn)納米TiC_p分散、促進(jìn)反應(yīng)*和減少有害中間產(chǎn)物相的機(jī)制為:球磨剪短處理后CNTs獲得更大的比表面積和更小的尺寸,增大了CNTs與Al-Ti二元液相的接觸面積,促進(jìn)了CNTs的溶解,使反應(yīng)析出納米TiC_p的幾率增多,提高了合成的納米TiC_p在基體中的分散,同時(shí)促進(jìn)了反應(yīng)的進(jìn)行,燃燒合成反應(yīng)更*,減少了Al3Ti中間相。iii)發(fā)現(xiàn)采用球磨2 h后的CNTs制備的9 vol.%納米TiC_p/Al-Cu-Mg復(fù)合材料具有高的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷裂應(yīng)變,分別為404 MPa、601 MPa和8.1%,比采用未處理CNTs制備的9 vol.%納米TiC_p/Al-Cu-Mg復(fù)合材料分別提高了66MPa、82 MPa和0.4%;相對(duì)于基體合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度(269 MPa和441MPa)分別提高135 MPa和160 MPa,但斷裂應(yīng)變(19.8%)降低。
iv)揭示出納米TiCp/Al-Cu-Mg復(fù)合材料室溫強(qiáng)化機(jī)制:相對(duì)均勻分散的納米TiCp阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、納米TiC_p與α-Al基體良好的界面結(jié)合以及Al3Ti脆性相含量的大幅降低。2)提出了內(nèi)生納米TiCp/Al-Cu-Mg復(fù)合材料制備的佳工藝:a)CNTs球磨預(yù)處理工藝:球磨速度300 r/min、時(shí)間2 h;b)球磨預(yù)分散Al、Ti、CNTs復(fù)合粉體工藝:球磨速度50 r/min、球磨時(shí)間48 h;c)復(fù)合粉體的冷壓工藝:冷壓成尺寸為45 mm×35 mm的圓柱形預(yù)制坯體,施加壓力20-30 MPa;d)燃燒合成+熱壓工藝:加熱溫度到900℃,燃燒合成反應(yīng)開(kāi)始后,施加壓力;e)熱擠壓成型工藝:擠壓溫度為500℃、擠壓比16:1-19:1;f)T4熱處理工藝:固溶溫度510 oC、時(shí)間1 h、自然時(shí)效96 h。3)揭示出內(nèi)生納米TiC_p對(duì)Al-Cu-Mg復(fù)合材料再結(jié)晶組織的影響規(guī)律、提高高溫強(qiáng)塑性和抗蠕變性能的機(jī)制。i)發(fā)現(xiàn)納米TiC_p能夠釘扎亞晶界,穩(wěn)定亞結(jié)構(gòu)以及阻礙再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大,形成由亞結(jié)構(gòu)區(qū)域、變形區(qū)域和*再結(jié)晶的等軸晶粒區(qū)域組成的不*再結(jié)晶組織,而基體合金為*再結(jié)晶的等軸晶粒(18.8μm)組織。基體合金和5 vol.%、7vol.%、9 vol.%納米TiC_p/Al-Cu-Mg復(fù)合材料再結(jié)晶區(qū)域面積百分比分別約為96%、81%、69%、44%。ii)揭示出內(nèi)生納米TiCp/Al-Cu-Mg復(fù)合材料高溫強(qiáng)塑性同時(shí)提高,其中在573 K溫度下,9 vol.%納米TiC_p/Al-Cu-Mg復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷裂應(yīng)變分別為139 MPa、157 MPa、17.2%,比基體合金分別提高29.9%、26.6%、73.7%。iii)發(fā)現(xiàn)在相同條件下,9 vol.%內(nèi)生納米TiC_p/Al-Cu-Mg復(fù)合材料抗高溫蠕變性能是基體合金的4-15倍,其中在493 K、40 MPa下,復(fù)合材料抗高溫蠕變性能是基體合金的15倍。揭示出復(fù)合材料的表觀應(yīng)力指數(shù)和表觀激活能均高于基體合金,它們的蠕變變形均是受高溫位錯(cuò)攀移機(jī)制所控制。iv)揭示出內(nèi)生納米TiC_p/Al-Cu-Mg復(fù)合材料高溫強(qiáng)化機(jī)制為:(a)納米TiC_p阻礙位錯(cuò)滑移或攀移;(b)納米TiC_p釘扎晶界擴(kuò)散遷移,從而強(qiáng)化晶界(包括大角度晶界和小角度晶界);(c)納米TiC_p釘扎亞晶界,穩(wěn)定亞結(jié)構(gòu)以及阻礙再結(jié)晶形核和再結(jié)晶晶粒的長(zhǎng)大,獲得數(shù)量多且尺寸細(xì)小的θ′和S′析出相,更有效地阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。
發(fā)現(xiàn)內(nèi)生納米TiC_p/Al-Cu-Mg復(fù)合材料比Al-Cu-Mg基體合金具有更優(yōu)異的室溫和高溫耐磨損性能:i)揭示出在滑動(dòng)速度0.63 m/s-1.26 m/s和載荷20 N-50 N范圍內(nèi)時(shí),與基體合金相比,復(fù)合材料的室溫耐磨性提高了40%-110%,其中在滑動(dòng)速度0.94 m/s,載荷40 N下,15 vol.%納米TiC_p/Al-Cu-Mg復(fù)合材料的耐磨損性能相對(duì)于基體合金提高了110%。發(fā)現(xiàn)隨著滑動(dòng)速度、載荷的增加,復(fù)合材料和基體合金的耐磨性均降低,但復(fù)合材料降低的程度遠(yuǎn)小于基體合金,主要原因是復(fù)合材料表面形成了納米TiC_p與Al2O3混合耐磨層。ii)揭示出在載荷20 N、滑動(dòng)速度0.63 m/s和溫度為433 K-493 K范圍內(nèi)時(shí),復(fù)合材料的高溫耐磨性比基體合金提高了70%-530%,其中在493 K下,20 vol.%納米TiC_p/Al-Cu-Mg復(fù)合材料的耐磨性比基體合金提高了530%。發(fā)現(xiàn)隨著溫度增加,復(fù)合材料和基體合金的耐磨性均降低,但復(fù)合材料降低的程度遠(yuǎn)小于基體合金。20 vol.%納米TiC_p/Al-Cu-Mg復(fù)合材料在433 K-493 K溫度范圍內(nèi)的耐磨損性能幾乎不變。原因是溫度提高在復(fù)合材料表面形成了更加致密的納米TiC_p與Al2O3混合耐磨層。上述結(jié)果表明,復(fù)合材料在高溫下耐磨性提高的程度顯著高于其在室溫提高的程度。iii)揭示納米TiC_p/Al-Cu-Mg復(fù)合材料室溫和高溫耐磨損性能提高機(jī)制:(a)納米TiC_p釘扎位錯(cuò)和有效阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng),抵抗材料的塑性變形;(b)有效的傳遞載荷,阻礙摩擦副之間的粘著磨損;(c)納米TiC_p釘扎晶界,提高復(fù)合材料室溫和高溫強(qiáng)度、硬度,同時(shí)減少晶界微裂紋,降低層狀剝落;(d)在復(fù)合材料表面形成了致密的納米TiC_p與Al2O3混合耐磨層。本論文所取得的成果為開(kāi)發(fā)高強(qiáng)韌、高抗蠕變、高耐磨的納米顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及其制備方法提供了新的技術(shù)途徑和實(shí)驗(yàn)依據(jù)與理論參考。Inconel601不銹鋼板現(xiàn)貨光譜儀是將成分復(fù)雜的光分解成光譜線的科學(xué)儀器,通過(guò)對(duì)光信息的采集來(lái)測(cè)知物品中含有何種元素。這種儀器被廣泛地應(yīng)用于空氣污染、水污染、食品重金屬污染、金屬工業(yè)等的檢測(cè)中。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),儀器的數(shù)字控制技術(shù)已經(jīng)取代模擬控制技術(shù),使儀器向小型化、精密化發(fā)展。其中激光誘導(dǎo)擊穿(Laser-induced breakdown spectroscopy簡(jiǎn)稱(chēng)LIBS)光譜儀是目前材料分析行業(yè)的前瞻技術(shù),它具有分析速度快,精度高,可遙測(cè),測(cè)量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。因此,LIBS光譜儀已在更多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前,雖然國(guó)內(nèi)一些企業(yè)和高校機(jī)構(gòu)已經(jīng)對(duì)LIBS光譜儀的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化作了大量工作,以此來(lái)縮小與國(guó)外的差距并推動(dòng)國(guó)內(nèi)LIBS的發(fā)展,但是它的核心部件制造技術(shù)和系統(tǒng)仍然依賴(lài)于國(guó)外。LIBS光譜儀研制過(guò)程中需要的關(guān)鍵材料及核心理論問(wèn)題主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面:一是影響光學(xué)系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵材料及材料匹配問(wèn)題;二是光柵制造鍍膜關(guān)鍵技術(shù)及表面潤(rùn)濕性問(wèn)題;三是鍍膜技術(shù)對(duì)光柵性能的影響。