锻件表面金属陶瓷涂层锻造致密化机理研究

融合半固态金属加工、反应喷涂和热模锻技术，提出在锻件表面制备高致密度耐磨、防腐陶瓷涂层新方法-自蔓延反应喷涂锻造工艺。即利用热模锻终锻前清理氧化铁皮间隙时间，在锻件表面热喷涂金属陶瓷涂层（陶瓷涂层材料在喷涂过程中由原料动态合成），喷涂后立即锻造，借助基体的高温和打击力提高涂层的致密度和与基体的结合强度。通过对典型涂层试件物理模拟试验和数学处理，建立描述涂层试件塑性变形过程的数学模型，数值模拟涂层试件致密化变形过程；依据模拟结果和试验验证，制定实验方案。研制反应喷涂材料和试验装置，并用其进行工艺试验。辅以组织和磨损、热震、腐蚀等性能分析和理论计算，优化涂层配方、涂层结构、喷涂工艺、锻造工艺和锻后冷却方式等多因素作用下最佳工艺参数；揭示金属陶瓷/钢反应喷涂锻造复合机理、工艺参数对涂层组织性能影响规律和界面结合机理，为提高锻件产品附加值奠定理论基础。

提出了陶瓷棒自蔓延反应喷涂锻造、氩弧焊辅助自蔓延压力堆焊、静态自蔓延法制造大口径陶瓷内衬弯管三种新涂层制备工艺，并进行了系统的工艺实验研究。研制了两种自蔓延金属陶瓷棒。铝包镍为过渡层，在钢板表面进行了反应喷涂实验。全面系统地研究了试件的准备、喷涂材料选择、陶瓷棒制备、氧乙炔气配比、压力、空气流速等工艺参数对涂层质量的影响规律，得出最优的喷涂工艺。以锻造温度、打击次数和打击力为工艺参数，以涂层质量为目标函数，采用正交设计方法优化了工艺，得到了最佳锻造工艺参数。对涂层的结合强度、涂层硬度、弹性模量、耐冲蚀性能进行了测试。选取ZrO2、NiCoCrAlY合金和混合特殊添加剂的TiC-Ni作为材料，设计了热障涂层结构：ZrO2/NiCoCrAlY合金和ZrO2/混合特殊添加剂的TiC-Ni。制备了涂层钢板试件，在某坦克上进行了隔热实验，实测陶瓷涂层和附近钢板的实际温差可达94℃。研制了陶瓷内衬弯管自蔓延熔涂实验装置，利用静态自蔓延法进行了陶瓷内衬弯管熔涂工艺实验，探索了单管装药法、双管装药法和耐火材料作芯管的大口径陶瓷内衬弯管制备工艺，得到了大量有应用价值的工艺参数。对涂层管件进行了性能分析测试，得到了影响涂层质量因素和改进措施。利用静态自蔓延原理，提出了在钢板表面迅速制备氧化铝陶瓷厚涂层工艺，实验验证了其可行性。提出了金属表面氩弧焊辅助自蔓延压力堆焊金属陶瓷工艺，并进行了工艺实验，在钢和铝合金表面成功地制备了厚金属陶瓷涂层。利用XRD、能谱分析手段，测试了涂层的微观成份，揭示了金属与金属陶瓷的焊接冶金原理。对钢板表面反应预涂TiCNi涂层以及反应喷涂后锻造两种涂层的温度场和残余应力场进行了模拟，得到了各涂层基体低温时喷涂锻造及其高温喷涂锻造温度场分布规律。对比发现：基体高温时喷涂锻造可以降低涂层试件的冷却速度，从而减缓裂纹的产生；锻造后各层中的残余应力远小于锻造前各层中的残余应力。提高初始锻造温度可以减小涂层中残余应力；对一定接触面积的涂层锻件，打击力有个极限值，再增大锻压力对涂层残余应力的影响不大。