FeCoCrMoCBY合金涂层临界非晶厚度形成机制及亚稳相分布规律研究

The Fe-based amorphous alloy coating with the different Co content were fabricated on the carbon steel surface using High Velocity Oxy-Fuel (HVOF) spray technique, respectively. The nano crystalline volume fraction, distribution gradient of metastable phase and transformation mode of metastable phase in thickness of FeCoCrMoCBY alloy coating will be investigated by math model, computer simulation and experimental verification based on the thermodynamics, dynamics and heat transfer theory for the transformation of metastable phase in Fe-based amorphous alloy coating. Looking for a function expression with amorphous forming ability and thermal stability to estimate the critical amorphous thickness of coating; Opening out the relationship between the nanocrystalline phase distribution and reduction instantaneous temperature gradient in the FeCoCrMoCBY alloy coating; Providing a new thought to caculate the nanocrystalline phase content in the thickness of other alloy coating; It is important science therory meaning to understand the physical nature of transformation of metastable phase in the coating under the HVOF spraying condition.

通过超音速火焰喷涂，在碳钢基体上，分别制备出不同Co含量的铁基非晶合金涂层。针对FeCoCrMoCBY合金涂层厚度方向上，纳米晶相的体积份数、亚稳相分布梯度，以及亚稳相转变方式等关键科学问题，申请者利用数学模型、计算机模拟、实验验证等方法，从铁基非晶合金涂层中亚稳相形成的热力学、动力学和传热学等方面开展研究工作。探寻一种含有非晶形成能力、热稳定性参数的函数表达式来评测非晶涂层临界非晶厚度；揭示这种新型FeCoCrMoCBY涂层厚度方向上纳米晶相的分布规律与涂层厚度方向上约化瞬时温度梯度之间的关系；并且为其它合金涂层某一层面上纳米晶相含量的计算提供一种新思路；这对于理解超音速火焰喷涂条件下涂层中亚稳相形成的物理本质具有重要科学理论意义。

本报告研究了优化涂层成分及优化工艺参数并进行非晶粉喷涂试验和相应的涂层性能检测；对合金涂层的热力学方面进行分析研究；探寻合金涂层中亚稳相形成的物理本质；采用激光热导仪测试涂层材料的热导率。结合非晶粉末合金的临界冷却速率和热稳定性参数对比分析获得铁基非晶合金涂层厚度方向上非晶相和纳米晶相的分布情况。建立了含有粉末合金非晶形成能力、热稳定性、涂层中温度梯度和涂层临界非晶厚度等参数的约化函数表达式。在ANSYS软件平台上，使用ICEM软件对超音速火焰喷涂流体计算区域划分网格，采用FLUENT计算流体力学软件对超音速火焰喷涂过程进行三维数值模拟。通过提取流场分析的基体表面换热系数及近壁面温度参数，采用ANSYS软件的参数化编程语言编写有限元计算程序，建立了基于生死单元技术的喷涂移动热源模型。对模拟计算过程中所选用的喷涂速度、喷涂距离、颗粒粒径、送粉率等参数进行实地测量，建立了可行的喷涂流场数值模型和涂层温度场及应力场数值模型，对超音速火焰喷涂流场以及板状基体的涂层温度场和残余应力场进行了三维数值模拟。采用K型热电偶对观察点的喷涂热循环进行实测，通过金相法对涂层厚度进行实测，并采用多层涂层系统应力理论计算模型计算涂层残余应力值，验证数值模拟结果的可靠性。研究了不同枪管型号、不同粒径、不同空燃比、不同燃料流量的喷涂颗粒对颗粒温度和速度的影响，同时还研究了颗粒温度、喷涂层数、对流条件对涂层残余应力的影响。涂层温度场模拟结果与实测温度吻合良好。