等离子热喷法制备非晶材料的机理研究

针对等离子热喷法制备非晶粉末或涂层无规律可循，特别是缺乏等离子场中快速凝固、雾化机理的理论研究的实际，本项目利用管式反应器模型，研究等离子场中喷涂粒子的传热、传质和动量传递的"三传理论"，阐明传递过程与温度梯度的关系；以快速凝固理论为基础，结合传热学、两相流理论、单个颗粒的组织分析方法以及借助在线分析手段，研究等离子场中快速凝固的机理，揭示等离子场中快速凝固的本质；提出棒材在等离子场中的雾化分为三个阶段的概念，利用韦伯准数确定各阶段的临界值。本研究成果填补了等离子场中"三传理论"、快速凝固以及雾化机理的空白，为等离子喷涂法制备非晶涂层和非晶粉末提供理论基础，为等离子场中理论问题的研究提供新思路，为等离子场中制备功能材料、化学合成提供理论基础。

等离子喷涂的焰流具有高温高焓，喷涂粒子撞击基体时能产生极高的冷却速度，满足了形成非晶态合金的条件。热喷涂可以使非晶态合金粉末喷涂制备出非晶态涂层，本课题组已使用晶态的棒材喷涂制备出了非晶粉末及涂层，但晶态喷涂材料合金成分、组分状态，棒材直径对等离子喷涂法制备非晶的影响因素还不清楚，使得的等离子喷涂法制备非晶研究仍停留在经验上，没有规律可循。为此开展了等离子喷涂法制备非晶材料研究，为等离子喷涂法制备非晶材料提供理论依据。.本课题分别采用高纯金属粉末及工业原料为母材，通过真空热压炉和真空电弧炉制备不同组分晶体的母合金和直径不同的喷涂晶体棒材，以粗铜管和铜板为基体进行非晶收集，采用晶体棒材等离子喷涂制备片状非晶态合金粉末，主要研究了喷涂晶体成分、晶体的组织对等离子喷涂法制备非晶的影响，研究了棒材直径即喷涂粒子大小对非晶的影响，阐述了晶体成分、组织状况、雾化粒子大小对喷涂法制备非晶的影响规律，通过冷却速度研究了雾化粒子的晶体成长规律，通过实际检测和数学模拟研究了等离子喷涂过程粒子的动量、粒子的飞行和喷涂的温度场。.研究结果表明：棒材晶体喷涂制备非晶，喷涂的棒材成分必须在3元以上，且成分接近共晶点的成分，棒材的合金化高，制备的非晶含量越高。元素成分从三元提升为五元，增强了非晶的热稳定性；元素间混合焓为负值可以有效的抑制晶化过程；相近元素的替换，成分参数λn更靠近0.18，利用非晶的形成；喷涂晶体棒材直径越大，制得的非晶含量越低。采用高纯单质粉末通过真空热压炉和真空电弧炉熔融制备母合金棒材，母合金的合金化程度约高，微观成分越均匀，制备出了合金粉末非晶含量越高。棒材直径大，形成的雾化粒子直径大于22μm，粒子达到通基体时的表面温度还会高达2000℃，粒子的速度为170Mm/s,其动能冲击不能够使粒子成为扁平状，基体与粒子的温度扩散速率达不到快速冷却的要求。这时雾化粒子会行核，液态金属晶核行核首先是两个反应活化能小的元素相作用，进行化合结晶成为晶核，然后进一步的成长为3元晶体，当冷却速度过小，就会成长成喷涂晶体相同的母合金；等离子喷涂过程中粒子加热很快；一般在距枪口40mm左右可达到最大。粒径小于20μm时，粒径粒子到达基体时的温度基本相同，22μm的雾化粒子的最大速度为96.83m/s，最高温度可达5105k；粒子在等离子射流中的速度和温度梯度较大，在喷涂距离为100mm处，粒子