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江苏科技大学本 科 毕 业 设 计（论文）学 院： 材料科学和工程学院 专 业： 金属材料工程学生姓名： 学 号： 指导老师: 二一二年六月江苏科技大学本科毕业论文高强铜合金表面等离子喷涂工艺及强化研究High-strengthCopperAlloySurfacePlasmaSpraying Processand StrengthenResearch江苏科技大学毕业设计（论文）任务书学院名称：材料科学和工程学院 专 业： 金属材料工程学生姓名： 学 号： 指导老师： X X 职 称： 讲 师 3月 1日毕业设计（论文）题目：高强铜合金表面等离子喷涂强化及其界面研究1.课程性质（请在对应选项上打勾）纵向课题已签约横向课题未签约横向课题试验室建设课题模拟性课题学生自选人文课题2.课题类型（请在对应选项上打勾）工程设计（实践）理论研究试验研究计算机软件设计综合 一、 毕业设计（论文）内容及要求（包含原始数据、技术要求、达成指标和应做试验等）1、提供条件箱式热处理炉，布氏硬度计，导电率测试仪，金相显微镜、3710型等离子喷涂系统等。2、内容及要求内 容：（1）锻态组织和性能分析研究；（2）固溶处理试验；（3）研究合金时效温度、时间对合金组织和性能影响；（4）选择最好热处理工艺对CuCo2Be进行强化，并对其进行等离子喷涂试验，并对界面进行研究。要 求： （1）确定合金最好固溶、失效处理工艺参数； （2）研究时效温度、时间对合金组织和性能影响关系； （3）制订合理等离子喷涂工艺参数并进行等离子喷涂试验； （4）毕业设计论文严格根据科技论文规范。二、完成后应交作业（包含多种说明书、图纸等） 1、毕业设计论文一份（不少于1.5万字）；2、译文1篇（不少于5000英文字符，并附原文）； 3、毕业设计电子文稿，参考文件。三、完成日期及进度自 2月27日起至 6月4日止进度安排：1、文件检索和阅读； .2.27.3.9（2周）2、设计和试验； .3.12.5.15（9.5周）3、撰写论文； .5.16.5.25（1.5周）4、论文评阅和答辩； .5.28.6.4（1周）四、关键参考资料（包含书刊名称、出版年月等）: 1、邹莉. 等离子喷涂技术及其应用J. 昆明冶金高等专科学校学报, , (5): 21-24.2、周庆生. 等离子喷涂技术及其在机床维修中应用J. 制造技术和机床, 1980, (2): 39-42.3、阎洪. 金属表面处理新技术M. 北京：冶金工业出版社, 1996.4、王庆娟, 徐长征, 郑茂盛等. 高强高导电铜合金研究现实状况J. 西安建筑科技大学学报(自然科学版). , 38(5): 732.5、Szablewski J, Haimant R. 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Metallurgical Transactions, 1989, 20A(11): 2305-2320. 系（教研室）主任： （签字） 年 月 日 学院（系）领导： （签字） 年 月 日摘 要水平连铸是现代各大钢（管）厂生产各类型钢关键方法，结晶器铜合金内套是水平连铸设备中最为关键易耗部件。在使用过程中因为铜套表面直接和14751570高温钢液接触，内表面工作条件极其恶劣，易产生多个形式失效，失效关键形式是产生热裂纹、磨损、剥落、划伤和腐蚀等。为了提升结晶器铜合金内套使用寿命，关键从提升铜合金内套材料质量及其表面强化、表面改性二个方面进行了大量研究工作。本文对材料CuCo2Be内套合金进行热处理工艺优化试验及对铜合金内套进行表面改性电弧喷涂强化工艺试验。研究结果表明：(1) 新制备CuCo2Be合金经9501.5h固溶+4601h时效可取得较佳综合性能。此工艺条件下合金室温布氏硬度为HB277.44，导电率达成54.48%IACS； (2) 以涂层和基体结合强度为指标，经过正交分析法，对多种喷涂参数控制，经过极差和元素位极图得出最优组参数为功率22 kw、送粉速率15 gmin-1、喷涂距离为90 mm、主气流量56.6 Lmin-1，得到涂层和基体最大结合强度为43.6MPa ； (3) 利用SEM、EDS分析测试手段，研究了断口形貌和涂层组织结构，结果表明涂层和基体间结合方法为微冶金结合。关键词：等离子喷涂；NiCr-Cr3C2涂层；结合强度；正交试验AbstractHorizontal continuous casting is the main method of billet produced for the modern big steel (tube) factories as well as copper alloy mould is the most critical consumable parts of horizontal continuous casting equipment. In the course of usage, the inner surface of the copper alloy mould is working on very poor conditions, it contacts directly with 14751570 high temperature liquid steel, which is very easy to produce various forms of failure. The main forms of the failure are generating heat crack, wear, peeling, scratching, corrosion and so on, in order to improve the life of copper alloy mould. This paper mainly studying on heat treatment of CuCo2Be alloy and Surface modificationarc spraying strengthening process of copper alloy mould on the basis of comprehensively analyzing the form of failure and the mechanism for the copper alloy mould. The results are shown as follows:(1) Comprehensive performance of CuCo2Be alloy can be acquired after solution treatment of 9501.5h+4601h aging. At this condition, hardness is HB277.44, conductivity reaches 54.48%IACS;(2) As an indicatorofthe bonding strengthofthecoating and the substrate,by orthogonal analysis,thecontrolofvarioussprayparameters,a verypoorandthe ElementalFigure derivedtheoptimalset of parametersforthepower of22kw,powder feedingrate of15gmin-1,thespray distanceof90mm,themaingasflow56.6Lmin-1,thecoatingand the substratebond strength43.6MPa;(3) Testing meansof SEM、EDS analysisto study thefracture morphology and the organizational structureofthecoating, the results indicate that the binding modebetween thecoating and the substrateforthemicro-metallurgicalcombine.Keywords：plasma spraying；Cr3C2-NiCr coating；bonding strength；orthogonal test目 录第一章 绪 论11.1序言11.2铜及铜合金应用现实状况及发展趋势11.3 热处理强化工艺21.4 热喷涂强化工艺41.5等离子喷涂强化51.5.1等离子喷涂工作原理及经典设备51.5.2等离子喷涂技术特点及涂层应用61.5.3等离子喷涂涂层存在缺点81.5.4等离子喷涂技术发展趋势81.6 论文意义91.7 论文研究内容10第二章 试验内容和试验方法112.1 试验材料112.1.1 基体材料112.1.2 喷涂粉末材料112.2 试验药品及设备122.2.1 试验药品122.2.2 试验设备122.3 试验内容132.3.1 铜合金熔炼和浇铸132.3.2 铸态组织和性能分析研究132.3.3 锻态组织和性能分析研究142.3.4 固溶处理试验142.3.5时效处理试验142.3.6等离子喷涂工艺试验152.4 材料组织形貌分析182.5 性能测试182.5.1 硬度182.5.2 导电率182.5.3 拉伸强度19第三章 试验结果和分析233.1 热处理工艺对CuCo2Be合金组织性能影响233.1.1 合金铸态组织和性能233.1.2 合金锻态组织和性能233.1.3 合金固溶组织和性能243.1.4 合金时效组织和性能263.2 等离子喷涂工艺参数正交试验结果和分析273.2.1 Cr3C2-NiCr涂层正交试验结果及分析273.2.2 Cr3C2-NiCr涂层正交试验原因主次分析303.3 Cr3C2-NiCr涂层和界面微观组织结构303.4 涂层显微硬度分析32结 论34致 谢35参考文件36第一章 绪 论1.1序言铜既是一个古老金属，又是一个含有应用前景现代工程材料。铜合金含有优良导电性、导热性、成形性及塑性; 含有很好耐蚀性能。这些特点是其它材料所不能同时含有。所以，铜合金广泛应用于电力、电工、矿山、冶金业及机械制造业等，尤其是对同时要求耐磨性、耐蚀性、导热或导电零件含有不可替换作用。伴随现代科学技术发展，大家对材料和设备和机械零部件使用性能要求也越来越高。于是大家在生产过程中，在一般基体材料表面上，制造一个特殊工作表面，使其达成防腐、耐磨、抗氧化等一系列多个功效，使其达成节省材料，节省能源目标1。等离子喷涂是利用等离子射流将喷镀材料加热到熔化或靠近熔化状态，喷附在制品表面上形成保护层方法2。等离子喷涂工艺是于基体材料基础上表面强化和表面改性技术，能够使基体表面含有耐磨、耐蚀、耐高温氧化和密封等性能。等离子喷涂工艺发展能够充足改善材料表面性能。1.2铜及铜合金应用现实状况及发展趋势铜和铜合金发展和应用有着悠久历史，伴随大家物质文化生活提升和信息时代到来，铜及铜合金成为人类工作和生活中关键基础材料。因为含有高导热、耐磨损、耐腐蚀、可电镀等特征，铜和铜合金应用很广泛，在人类生活和国民经济发展中有着巨大作用。铜及铜合金含有很多优良特征，铜以合金化种类多和化合物形式多被大家所利用，也被深深地应用到了生产和生活各个方面，成为人类在二十一世纪飞速发展一个不可缺乏关键金属。铜合金这些特点不是其它材料能够同时含有，尤其是对一些同时要求耐磨、耐蚀、导热或导电性能零件，是不可替换。在连铸结晶器、高炉风口、转炉氧枪喷头、等离子加热喷嘴等零部件中常常使用，其一面和高温液体或气体介质直接接触，另一面和水或气体等冷却介质直接接触，是极其恶劣工作条件。铜合金一样存在部分缺点，比如铜合金耐热性和耐磨性能较差，在工程应用中往往需要优异行表面强化处理，从而达成降低磨损目标，以达成提升零件使用时间效果，提升经济效益。多年来，因为热喷涂技术快速发展和应用，使得基体材料在耐磨损、耐腐蚀和绝缘性等方面性能全部有了很大改善。所以现在，包含航空、航天、原子能设备等尖端技术在内全部领域内全部有广泛应用3。1.3 热处理强化工艺(1) 形变强化形变强化，即加工硬化，是经典四种金属强化方法之一，伴随塑性变形量增加，金属流变强度也增加，这种现象称为形变强化或加工硬化。在金属形变过程中，当外力超出屈服强度后，要将塑性变形过程进行下去必需要不停增加外力，在真实应力-应变曲线上表现为曲线不停上升。当使材料用温度过高时，材料将发生回复、再结晶过程而产生软化现象，而且单一形变强化对合金强度提升是有限，所以常常和其它强化方法一起使用。(2) 析出强化金属在过饱和固溶体中溶质原子偏聚区和（或）由之脱溶出微粒弥散分布于基体中而产生硬化一个热处理工艺。室温下，当基体中加入固溶度很低元素后，经高温固溶后，会形成过饱和固溶体，晶格严重变形，强度得到显著改善。常见析出强化元素有Ni、Si、Cr、Zr、Be等。时效处理后，合金元素会从基体中快速析出，形成弥散细小沉淀相，有效阻碍晶界和位错运动，因固溶原子引发晶格畸变对电子散射作用比第二相对电子散射作用大多，故时效后强度提升，而导电性又恢复到较高水平。(3) 固溶强化固溶强化关键机理是溶质原子溶解在铜基体应力场和弹性应力场周围，这种作用所产生晶格畸变是形成固溶体晶格畸变关键机制，这种作用阻碍了位错运动从而使材料得到强化。合金元素对铜合金强化作用关键取决于溶质原子和铜原子尺寸差异和溶质元素在铜中浓度，而对导电率影响则和固溶元素种类和数量相关4。固溶强化程度关键取决于两个原因，首先是原始原子和添加原子之间尺寸差异，尺寸差异越大，原始晶体结构受到影响就越大，位错滑移就愈加困难；其次是合金元素量，伴随合金元素加入量增加，强化效果越来越显著。(4) 冷变形+时效强化冷变形+时效强化是现在对高强度高导电性铜研究和开发合金较为常见方法。J.Szablewki5等人认为固溶和时效处理时所产生冷变形提升了合金电阻率，降低了合金电阻温度系数，在时效过程中促进了固溶体分解，时效性能也受到变形量影响。在受到外力作用时，晶粒形状改变会伴随工件形状改变而改变。当工件形状被拉长或压扁时，其内部晶粒形状也会随之被拉长或压扁，造成晶格产生畸变现象，使金属深入滑移阻力增大，造成金属强度和硬度显著提升，塑性和韧性下降，即产生所谓“变形强化”现象,叫做冷变形强化。铸锭热机械处理法对时效强化型铜合金能对合金强度和导电率能产生很好效果。但用于制造高强度高导电性结构件铜合金铸锭直接进行固溶处理，即使塑性提升了，但单靠冷变形成形，变形量大，变形抗力大，尤其是结构复杂件，成形困难6。铜合金固溶处理后经过冷变形+时效处理后强化效果好，关键是因为合金经过强烈地冷变形后晶体内部产生位错、层错、空位，晶界、亚晶界等晶体缺点增多，合金内能增高。在时效过程中，这些在冷变形过程中形成大量晶体缺点成为第二相形核关键，第二相析出快，且分布愈加弥散、细小，钉扎位错，使位错运动愈加困难，并延缓合金回复和再结晶过程，使合金强度、硬度升高，伴随第二相弥散析出，合金过饱和度下降，晶格畸变得到恢复，合金导电率也显著提升。（5）细晶强化经过细化晶粒方法改善金属材料力学性能方法称为细晶强化，工业上常经过细化晶粒方法来提升材料强度。金属通常是由很多晶粒组成多晶体，晶粒大小能够表示为单位体积内晶粒数目标多少，晶粒数目越多，晶粒就越细。试验结果表明，在室温条件下，细晶粒金属比粗晶粒金属含有更高强度和硬度和塑韧性。这是因为外部发生塑性变形细粒能够在更多晶粒内进行，塑性变形较均匀，应力集中较小；另外，晶粒越细，晶界面积越大，晶界越曲折，越不利于裂纹扩散。所以工业上常经过细化晶粒方法用来提升材料强度。细晶强化效果能够用Hall-Petch7关系式表示， （1-1）（1 -1）式中：为材料屈服强度；和是两个和材料相关常数；为晶粒平均直径。从式中能够看出，晶粒尺寸减小同时合金强度提升。这是因为多晶体在受力变形过程中，晶界位错阻止晶界表面堆积，这么留在晶界处滑移带会在位错塞积群顶部产生应力集中现象；位错塞积群能够和外加应力发生作用，当应力足够大使邻近晶粒内部位错源产生滑动时，滑移带才能够从一个晶粒传到下一个晶粒。因为晶界及相邻晶粒取向不一样，这就阻碍了位错从一个晶粒向另一个晶粒运动，晶粒越细，单位体积内晶界体积就越大，对位错阻力作用就越大，材料强度就越高。因为结晶取向对晶体传导性能无影响，晶粒细化仅使晶界增多，所以对铜导电性能影响很小。另外细晶强化在提升材料强度同时还能够提升材料塑性。（6）合金强化在金属中加入合金元素，是提升合金强度有效和常见方法。合金元素能够以多个形式存在于才材料基体中：在固溶体中以溶质原子方法无序分布，和溶剂原子组成有序结构，形成和基体不一样弥散质点，并形成尺寸相当大复相混合物等；阻碍作用对位错运动影响是合金取得高强度直接原因。合金元素经过改变基体点阵类型，也能使基体晶粒细化，增大基体淬透性，间接地提升合金强度。有文件报道，在Cu-Be，Cu-Ni-Be合金中加入微量Ti可细化组织，提升铜合金强度8,9，在Cu-Cr、Cu-Cr-Zr合金中加入0.05wt%0.10wt%稀土铱、镧、铈等元素能够显著提升铜合金强度和导电率10-12。1.4 热喷涂强化工艺热喷涂技术是表面工程中一个关键组成部分，在表面工程技术中有着关键地位。它是以火焰、电弧或等离子体等作为热源，将线状材料或粉末状材料加热至熔融或半融化状态，加速形成熔滴并高速打在基体材料上形成涂层。涂层含有耐磨损、耐腐蚀、耐高温和绝缘等优异性能，而且能够对磨损、腐蚀或加工过程中引发零件尺寸误差进行修复。热喷涂技术应用关键包含：长久有效防腐、机械修理及优异制造技术、模具制作和修复、制造特殊功效涂层等四个方面。现在，热喷涂技术已广泛应用于几乎全部工业领域和家庭用具（如不粘锅、红外线保健电热器等）。热喷涂技术是材料表面强化和保护关键技术，利用热喷涂技术制备耐磨涂层已经成为关键研究方向，以预防机械和设备零部件等发生故障，并提升其使用寿命。热喷涂以热源形式可分为四大类：火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂和特种喷涂。 （1）火焰喷涂火焰喷涂技术能够分为粉末火焰喷涂技术和丝材火焰喷涂技术两种，其中在制备隔热涂层研究中多以粉末喷涂为主。喷涂中通常使用乙炔和氧气混合气组合来提供热量，也能够使用丙二炔(MPS)、甲基乙炔、丙烷、氢气或天然气等。火焰喷嘴经过引入乙炔和氧气，二者混合后产生燃烧火焰。喷枪上设有粉斗或进粉管，利用空气产生负压吸粉，使粉末伴随气流进入火焰，粉末在火焰处被加热熔化或软化，在气流及焰流作用下喷射到基材表面形成涂层。（2）电弧喷涂电弧喷涂是经过金属丝之间两根连续送进电弧燃烧来熔化金属，利用高速气流把熔化金属雾化，并对雾化金属粒子加速使它们喷到工件表面形成涂层技术。电弧喷涂是钢材料防腐蚀、耐磨损和机械零件维修等实际应用工程中最普遍使用一个热喷涂方法。电弧喷涂系统通常是由喷涂专用电源、控制装置、电弧喷枪、送丝机及压缩空气供给系统等组成。（3）等离子喷涂等离子喷涂技术是一个新型多用途精密喷涂方法，它是以刚性非转移型等离子弧作为热源，以喷涂粉末材料为主热喷涂方法。喷涂粉末被加热熔化后，从而形成涂层。等离子喷涂包含大气等离子喷涂，保护气氛等离子喷涂，真空等离子喷涂和水稳等离子喷涂。等离子喷涂是现在全部热喷涂工艺中最为方便灵活一个，它能够产生足够能量熔化任何材料。它含有：超高温特征，以方便喷涂高熔点材料。喷射粒子速度高，涂层致密，粘结强度高。使用惰性气体作为工作气体，喷涂材料是不轻易被氧化。1.5 等离子喷涂强化1.5.1等离子喷涂工作原理及经典设备 热喷涂技术是经过某种特定热源将一些材料加热到熔融或半熔融状态，然后在基体表面上喷上涂层，形成一层性能优越涂层，从而使原工件含有愈加优异表面性能，或是使工件取得一个或多个原来基体材料不含有表面性能膜状组织13-14。热喷涂方法大致能够分为火焰喷涂法、爆炸喷涂法、超音速喷涂法、电弧喷涂法、等离子喷涂法等。下面我们来着重讨论等离子喷涂工艺。等离子喷涂是以一个刚性非转移型等离子弧作为热源，以喷涂粉末材料为主热喷涂方法。图 l-1为等离子喷涂工作原理图2 。其喷涂原理是经过等离子喷枪 产生等离子射流 。喷枪钨电极 (阴极)和喷嘴 (阳极)分别接电源负极和正极 ，由高频振荡器引燃电弧激发，使工作气体 (Ar或 N2)在电弧作用下电离成等离子体。因为热收缩效应 、自磁收缩效应和机械收缩效应 联合作用 ，电弧被压缩 ，形成非转移型等离子弧。送粉流输送粉末喷涂材料进入等离子弧 ，并被快速加热至熔融或半熔融状态 ，随等离子流高速撞击经预处理基材表面 ，并在基材表面形成牢靠覆盖层喷涂层。从而使零件被喷涂表面取得不一样硬度、耐磨 、耐热 、耐腐蚀 、绝缘 、隔热 、润滑等多种特殊物理化学性能 ，以满足零件不一样工作条件要求。依据等离子喷涂工作原理，等离子喷涂成套设备需由电源 、高频振荡器 (引弧装置)、控制系统 、送粉装置 、喷枪 、水冷系统 、气路等部分组成 。图 1-2为中国外等离子喷涂经典设备配置 15。 图1-1 等离子工作原理图 图1-2 等离子喷涂设备组成示意 1.5.2等离子喷涂技术特点及涂层应用(1) 等离子喷涂技术特点1618因为热收缩效应 、自磁收缩效应和机械收缩效应综合影响，所形成非转移型等离子弧通常能够取得10000以上高温，而且热量集中，所以能够熔化多种高熔点、高硬度粉末材料；而且等离子焰流速度高达1000m/s，喷出粉粒速度可达 180600m/s，所以能够取得组织致密、气孔率低 、和基材结合强高、涂层厚度易于控制喷涂层。能够喷涂材料广泛，涂层种类多。因为等离子焰流温度高，能够将多种喷涂材料加热到熔融状态，所以可供等离子喷涂材料很广泛。(2) 等离子喷涂涂层应用大致来说，涂层依据其关键用途可分为保护性涂层和功效性涂层两类。等离子喷涂涂层传统应用于耐磨、耐蚀（氧化）、耐高温等领域，这些涂层制备技术已在工业生产中得到广泛应用。多年来，新型功效性涂层，如生物涂层、纳米涂层、超导涂层等正受到大家重视。实践证实，使用热喷涂技术能够收到很好应用效果19。等离子喷涂能够提升工件耐磨性、耐蚀性、热绝缘性，厚度可达1mm以上 ，NiCr-Cr3C2含有良好耐热耐蚀性，在金属碳化物中抗氧化能力最强，在空气中温度为1 1001 400才开始显著氧化，在高温条件下仍然保持相当高硬度20。为了改善界面应力情况， 提升涂层结合强度，打底层+工作层是最常见涂层结构。文件 21-22采取N iC rA lY 打底、等离子喷涂ZrO2-28% Y2O3 热障涂层结合强度得到了较大提升， 达成了31.2MPa。阶梯涂层能使整个涂层结构膨胀系数呈阶梯状， 改变趋于平缓， 能减小涂层间尤其是涂层和基体间内应力， 提升涂层和基体结合强度，涂层耐高温、抗热冲刷等性能大幅提升23 。热障涂层广泛应用于航空发动机、燃气轮机等高温工作下零部件表面， 起隔热作用。如燃气轮机受热部件如喷嘴、叶片、燃烧室等均处于高温氧化和高温气流冲蚀恶劣工作环境中，承受温度高达1100 24。实践证实， 热障涂层材料隔热效果显著，并含有良好抗热震性和高温抗氧化性，消除了燃烧室隔热屏局部烧蚀变形及裂纹等故障25 。等离子喷涂技术是制备医用生物涂层材料一个有效方法。中国外对等离子喷涂经基磷灰石涂层和钦涂层研究报导较多。轻基磷灰石化学式为Ca (PO4)6(OH)2，简称H V，其化学成份和晶体结构和人体骨骼和牙釉质化学成份和晶体结构相同，能和骨组织产生骨性结合。现在这种涂层广泛用于人工髓关节和人工牙齿植人材料26。但多孔经基磷灰石是脆性材料, 韧性差, 强度低, 难以在生物体承载部位使用。研究表明, 等离子喷涂方法可制备厚度 30 m 涂层材料, 涂层和基底结合强度 60 MPa。经过摸拟体液和体液中培养试验, 证实等离子喷涂Hv / Ti 合金复合材料是一个理想骨替换材料27 。1.5.3等离子喷涂涂层存在缺点在等离子喷涂过程中，因为快速凝固等原因，会产生一定密度微观缺点，包含气孔和裂纹等。Pavel Ctibor 等人28对热喷涂涂层微观结构进行了定量分析，依据涂层中缺点特征，能够分为圆柱形孔，片层之间孔和垂直缺点。在等离子喷涂过程中，熔融态颗粒高速沉积在基体上而形成涂层，该工艺过程决定了涂层孔隙不可避免。描述涂层孔隙结构特征一个关键参数是涂层总体孔隙率。Ghislaine Bertrand 等29分析了孔隙尺寸和形态，认为当氩气流动速率较高（40 L/min）氢气流动速率较低（4 L/min）时，会使得涂层总体孔隙率升高。机械性能和孔隙率之间有一定联络，涂层热导率通常随涂层孔隙率增加而下降。V.Teixeira等30经过改变沉积参数，设计了梯度涂层，使得涂层孔隙率在向顶层方向上增加，最终降低了热传导系数。所以，经过提升涂层表面孔隙含量，以达成降低涂层热传导率目标。Nakamura 等人经过有限元模型几何形状和实际陶瓷包含很多嵌入孔隙模型很相同方法，研究了孔隙尺寸，形状和方向对热障涂层力学性能影响。在等离子喷涂过程中，因为快速淬火影响，在涂层中会产生高密度微观裂纹。其中，最经典包含和基体平行裂纹和垂直裂纹。在热循环载荷下，这些裂纹会生长，最终引发涂层分离。Ghislaine Bertrand 等29研究指出喷涂角度和基体成75（），而且冷却速率较高时，和基体成30（）方向裂纹长度会有所增加，指出涂层中微裂纹会影响等离子喷涂涂层中热传导率。Bin Zhou 和Klod Kokini31认为涂层厚度，最短预裂纹和最长预裂纹造成形成了很长界面裂纹，预裂纹存在时最好状态是使得涂层断裂强度最小。1.5.4等离子喷涂技术发展趋势等离子喷涂时， 铜基体易氧化， 涂层和基体关键靠机械锚合，涂层材料和铜基体热膨胀系数差异极大， 界面处存在较大热失配内应力， 涂层和基体结合强度低，热疲惫寿命不高，从而制约了等离子喷涂在铜基体上应用。伴随新材料、新设备和新工艺出现和发展， 铜及铜合金表面等离子喷涂涂层性能将会深入提升。相关铜合金表面等离子喷涂研究，以后应在以下多个方面展开深入研究：(1) 发展新型涂层, 重视涂层结构设计。研究处理涂层和铜合金基体热膨胀系数失配和物理性能差异过大问题，从而提升涂层和基体结协力和热疲惫寿命。现在铜合金表面涂层开发首先要考虑怎样经过改善打底层性能来消除或减小涂层和基体间差异，降低应力；其次则要改善和改善涂层设计， 如梯度涂层等多层涂层设计， 提升涂层强度和热疲惫寿命。(2) 开发应用新领域，发展复合工艺。等离子喷涂和其它学科相互交叉渗透形成了新表面复合处理工艺。比如， 和热处理工艺相结合出现了真空扩散重熔和高频感应重熔涂渗工艺；和电镀工艺相结合产生了镀涂工艺和涂镀工艺；采取新能源，出现了激光重熔和电子束重熔等。利用复合工艺，能很好地改善涂层性能。等离子喷涂新技术、新工艺还有待于深入探索和开发， 其应用领域包含在铜及铜合铜表面强化、改性等方面必将得到深入拓展。(3) 简化、优化工艺， 发展涂层性能估计。操作简便、成本低、生产效率高及涂层质量好工艺无疑是发展方向。为此， 需经过建立多种材料喷涂工艺参数数据库和合理模型及教授系统来估计涂层性能，对涂层及工艺进行优化设计。现在这方面研究相对极少，这也是以后进行深入研究关键方向。1.6 论文意义水平连铸是现代各大钢（管）厂生产各类型钢关键方法，结晶器铜合金内套是水平连铸设备中最为关键易耗部件。在使用过程中因为铜套表面直接和14751570高温钢液接触，内表面工作条件极其恶劣，易产生多个形式失效，失效关键形式是产生热裂纹、磨损、剥落、划伤和腐蚀等。铜套质量高低直接影响炼钢效率、效益及劳动强度。自上世纪八十年代水平连铸技术快速发展以来，中国外部分钢铁企业及研究单位，为了提升结晶器铜合金内套使用寿命，关键从提升铜合金内套材料质量及其表面强化、表面改性二个方面进行了大量研究工作。本文结合中国某大型钢厂生产中存在问题，在对结晶器铜合金内套失效形式、机制进行较全方面分析研究基础上，对材料CuCo2Be内套合金进行热处理工艺优化试验及对铜合金内套进行表面改性等离子喷涂强化工艺试验。1.7 论文研究内容本论文关键研究内容以下： (1) 对合金进行熔炼、浇注、铸造、铸造及热处理工艺研究。熔炼、浇注及铸造工艺要能确保取得合格铸件质量，是后续铸造、热处理取得良好效果前提，使合金内部质量满足探伤合格要求。 (2) 对CuCo2Be合金进行热处理工艺研究，测量铸态、锻态试样硬度及导电率，试样进行固溶时效处理后，测量硬度及导电率，确定最好固溶、时效温度和时间。 (3) 以涂层和基体结合强度为指标，采取正交试验法研究工艺参数对涂层质量影响，以Cr3C2-NiCr粉末作为喷涂粉末，对基体材料CuCo2Be表面进行等离子喷涂工艺研究，确定最好工艺参数，并进行拉伸强度测试，经过极差法对工艺参数进行优化，优化出最好喷涂工艺方案。 (4) 经过扫描电镜观察不一样参数条件下涂层形貌，并经过EDS及SEM分析涂层和基体结合方法。第二章 试验内容和试验方法2.1 试验材料2.1.1 基体材料高强高导CuCo2Be合金含有很好耐高温性、导热性，含有耐磨损、耐腐蚀、高硬度和高抗拉强度要求。本试验采取时效硬化态CuCo2Be合金，成份性能如表2-1 所表示。表2-1 CuCo2Be合金化学成份（质量分数，%）合金添入元素CoBe其它CuCuCo2Be2.7%0.5%0.5%余量2.1.2 喷涂粉末材料等离子喷涂层性能指标关键和喷涂材料性能和喷涂工艺相关。采取相同工艺，不一样涂层材料，所得到涂层性能也不一样；同一个涂层材料，采取不一样喷涂工艺，得到涂层性能也不相同。本试验所使用喷涂粉末为北京矿冶研究总院金属材料研究所生产烧结型Cr3C2-30NiCr复合粉末，成份如表2-2所表示。Cr3C2-30NiCr复合粉末涂层坚硬致密，是中高温下理想抗氧化、耐磨、耐蚀涂层，常于中高温下燃气冲蚀磨损、微动磨损、磨粒磨损、硬表面磨损等条件下使用。NiCr合金含有优异耐热、耐腐蚀、抗高温氧化等性能，Cr3C2含有很好高温硬度和抗高温氧化性，所以Cr3C2-30NiCr涂层在950下含有优异抗高温氧化性、抗高温气流或微粒冲蚀磨损和硬面磨损性能，可作为本试验较为理想理想喷涂材料。表2-2 工作涂层材料牌号名称成份/wt%硬度粒度KF-71碳化铬-镍铬80%Cr3C2，20%NiCr800-1000HV0.3-325-+500目2.2 试验药品及设备2.2.1 试验药品氯化铁盐酸溶液、无水乙醇、金刚石研磨膏、烧结型复合粉、NiCr-Cr3C2（Cr3C2 75%、NiCr 25%）粉末、高纯N2、高纯Ar等。2.2.2 试验设备（1）3710型等离子喷涂系统 等离子喷涂设备是比较复杂，是指产生高温热源、加热、熔化、雾化、加速被喷涂材料，并在基体表面沉积形成涂层所用一套装置总称。本试验使用等离子喷涂系统为3710型等离子喷涂系统，关键设备包含HF-2210型等离子喷涂专用电源，3710型控制柜，SG-100型等离子喷枪，1264型送粉器，AMS3265型制冷热交换器，螺旋空气压缩机等。等离子喷枪是喷涂设备中关键装置，等离子喷枪含阴阳两极，中间留有空隙通入等离子气体，同时用循环冷却水保护枪体和阴极棒。SG-100型等离子喷枪是一把可适适用于很多应用多态喷枪，。送粉方法有枪内送粉和枪外送粉两种，本试验采取枪外送粉。3710型控制柜能够控制两个送粉器和用于工件冷却等用途辅助电路。控制柜含有安全自锁，以预防在水、电及气路有故障时保护喷枪工作，图2-2所表示。（2）其它关键设备 本试验其它关键试验设备见表2-2。表2-2 试验设备极其性能指标试验设备设备型号性能指标用途