南太湖沉积物悬浮的动力机制分析

2024-07-02|版权声明|我要投稿

南太湖沉积物悬浮的动力机制分析(共2篇)

南太湖沉积物悬浮的动力机制分析 篇1

南太湖沉积物悬浮的动力机制分析

以风浪作用下底泥再悬浮规律研究入手,从南太湖沉积物的`物理特性、沉积物悬浮动力分析及沉积物悬浮的临界应力分析几方面,分析了南太湖沉积物悬浮的动力机制,为南太湖入湖河道河口整治提供一定的科学依据.

作 者:吴培江 鲁有铭 胡金桥 WU Pei-jiang LU You-ming HU Jin-qiao 作者单位:浙江省湖州市太湖水利工程建设管理局,浙江,湖州,313000刊 名:中国农村水利水电 ISTIC PKU英文刊名:CHINA RURAL WATER AND HYDROPOWER年,卷(期):“”(5)分类号:X524关键词:河口治理 沉积物 悬浮

南太湖沉积物悬浮的动力机制分析 篇2

为了提高涡轮机内部热端部件的耐高温性能, 延长部件使用寿命, 常在其表面制备热障涂层;但常规工艺制备的热障涂层不能满足要求。悬浮液等离子喷涂技术 (SPS) 具有很大潜力:其基于大气等离子喷涂 (APS) 之上, 采用悬浮液送料取代固态粉末送料进行喷涂, 较好地解决了纳米及亚微米粉末直接送料喷涂困难的问题, 制备的涂层具有精细结构, 性能显著提高[1~3]。目前, 国内外关于悬浮液等离子喷涂层的性能研究较多, 而对其沉积机理的报道较少。本工作以6%~8%Y2O3-Zr O2 (YSZ) 粉末为原料制备悬浮液, 设计特殊的喷涂试验探讨SPS涂层的沉积机理, 研究了热循环过程中涂层的失效机理, 以期为其深入研究奠定基础。

1 试验

1.1 悬浮液的制备

将6%~8% (质量分数) Y2O3-Zr O2粉末 (YSZ, 粒径0.1~2.0μm) 与高分子表面活性剂聚乙二醇 (质量分数0.1%) 溶于体积分数50%的酒精中配成2 mol/L悬浮液, 采用氨水调节溶液p H值至9;室温下磁力搅拌, 直至溶剂中的YSZ粉末分散均匀。

1.2 热障涂层的制备

采用APS-3000等离子设备喷涂, ABB-IRB2400六轴机械手控制PQ-1J喷枪。喷涂Ni Cr Al Y合金粉制备热障涂层的粘结层, 送料速率 (40±2) g/min, 喷距120cm, 功率31.5 k W。悬浮液等离子喷涂时以Ar和N2为主气, H2为辅气, 功率为40 k W。悬浮液送料嘴在喷枪上的安装状况见图1。其中, 液料嘴的直径为0.20~0.25 mm, 液料嘴与等离子火焰喷嘴端面距离5 mm, 与等离子火焰轴心距离12 mm。悬浮液采用蠕动泵进行输送, 在喷涂过程中对其不间断搅拌以保证均匀性。

1.3 测试分析

(1) 悬浮液中YSZ的粒度分布

采用Mastersizer2000型激光粒度仪检测。

(2) 悬浮液雾化效果及粒子熔融状态

用盛有纯净水的容器收集等离子火焰雾化后的YSZ粒子[送料速率 (100±5) m L/min], 用S-4800扫描电镜 (SEM) 观察形貌。

(3) YSZ粒子在基体上的沉积状况

喷枪沿基体上方固定直线喷涂 (喷距70 mm, 移速500 mm/s) , 得到的喷涂层区域示意见图2。其中, A到D处为等离子焰心至外焰喷涂区域, B和C处为其中等分处, A, B间距3.5 mm。对各区域分别取样, 分别采用S-4800和JSM-5610LV扫描电镜 (SEM) 观察表面和断面形貌。

(4) 涂层的热循环测试

将3块试样 (φ40 mm×5mm) 置于电炉中, 1 000℃保温10 min, 取出迅速投入 (20±5) ℃水中淬冷, 为1次热循环周期。当试样出现裂纹、褶皱、起皮或剥离, 脱落面积达5%时即失效, 记录热循环次数, 并用LV100POL光学显微镜和JSM-5610LV扫描电镜 (SEM) 观察涂层表面和断面形貌。

2 结果与讨论

2.1 悬浮液中YSZ的粒度分布

悬浮液中YSZ粒度分布见图3。从图3可以看出:悬浮液中的YSZ粒径范围为0.417~5.754μm, 且3.311μm以下的占93.38%。结合YSZ原始粉末的粒度 (0.1~2.0μm) , 可知悬浮液中YSZ颗粒得到了较好分散。悬浮液中的固相粒子若分散不均匀, 送料时容易堵塞送料嘴而导致喷涂中止。喷涂过程中未发生送料嘴堵塞现象, 说明该悬浮液能满足持续有效送料。

2.2 悬浮液在等离子火焰中雾化熔融后的形貌

悬浮液中的YSZ粒子在等离子火焰中雾化熔融后主要有3种形态 (见图4) : (1) 表面光滑、呈规则球形的致密小球粒子, 随机统计50个, 直径在1~5μm内的占92%; (2) 呈不规则球形的疏松粒子, 其中有些已破裂, 可能是因为粒子的凝聚力较低, 当其从高温等离子焰流中冲入水溶液时, 即完成1个淬火过程, 这时会产生很大的热应力, 从而导致本身致密度不高的粒子发生破裂, 随机统计50个, 直径在8~17μm内; (3) 无定形的粒子, 这可能是原始粉末粒子或是第 (2) 种粒子在淬火过程中破碎所形成。悬浮液中部分YSZ颗粒在雾化时发生了团聚。

雾化后的粒子形貌与悬浮液液滴所处的焰流温度及速度有紧密联系[4,5]。为便于研究, 将等离子火焰温度区域划分为高温区 (3 000~10 000 K) 、中温区 (2 000~3 000 K) 和低温区 (1 000~2 000 K) [6]。焰流速度与温度相对应, 焰流温度越高, 速度越快。悬浮液在等离子火焰不同温度区域[7]的雾化粒子SEM形貌见图5。火焰对悬浮液的雾化效果可用Web准数表示[8]:

式中, We为Web准数, ρg为等离子气体密度, d为液滴直径, vc为等离子火焰速度, vl为液滴速度, σ为液滴表面张力。We越大, 液体越容易被雾化。由式 (1) 可看出:同种悬浮液火焰速度越快, 雾化效果越佳, 雾化液滴更细小。雾化后的液滴在火焰中液相会迅速蒸发, 表面张力作用使之收缩成球状。处在高温区的球状颗粒由于体积小且所受温度高, 很容易完全熔融, 得到致密球形粒子 (见图5a) ;与高温区相比, 中温区焰流速度和温度更低, 因而雾化效果差, 得到的球状颗粒较大, 不能完全熔融, 形成疏松多孔状球形粒子 (见图5b) ;在等离子火焰最外围的液滴既没有充分雾化, 也没有完全熔融, 最终成为无定形态的粒子 (见图5c) 。

2.3 雾化粒子在基体上的沉积状况

喷涂层表面的SEM形貌见图6。图6a, b, c, d分别对应图2中A, B, C, D。

等离子焰心喷扫的区域为完全熔融、彼此紧密搭接的扁平粒子组织, 单个扁平粒子直径分布在3~7μm, 厚度小于100 nm (见图6a) ;外焰喷涂区域基本观察不到扁平粒子, 涂层为大量未完全熔融组织, 表面分布开孔 (见图6d) ;介于两者间的区域则是这2种组织的梯度过渡区域 (见图6b, 6c) 。微观形貌也间接表明悬浮液在等离子火焰中的雾化状况:在等离子火焰焰心区域雾化得到的熔融球形粒子撞击基体后铺展成精细扁平粒子;外焰区域雾化得到的非完全熔融态粒子在撞击基体时铺展不明显, 导致涂层组织中分布开孔。

外焰喷扫区域除了未完全熔融的粒子外还有少量致密球形粒子, 形态与焰心处雾化的熔融粒子相似, 尺寸多分布在1.5μm左右 (见图6c, 6d) 。这主要是由于粒子在火焰中轨迹不固定[9], 焰心高温区的熔融粒子在撞击基体前很可能逸入外焰低温区, 由于低温区焰流速度小、温度低, 部分熔融粒子在撞击基体前就开始凝固, 最终以球状残留在涂层中。而球形粒子尺寸和原来收集到的雾化熔融球形粒子有一定差异, 可能是由于在收集雾化粒子时容器内水大量蒸发对等离子焰流产生干扰。焰心球形熔融粒子在撞击基体前若一直处于高温区, 撞击基体后会铺展成为扁平粒子。每个扁平粒子的形成过程都是独立的[10], 可根据熔融球形粒子和扁平粒子直径来计算扁平粒子厚度。为了便于计算, 将扁平粒子等效成圆形, 得出扁平粒子厚度为

式中, δ为扁平粒子厚度, R为熔融球形粒子的半径, r为扁平粒子的等效半径。结合涂层形貌, R取0.75μm, r取2.5μm, 计算得到扁平粒子厚度为90 nm, 这与图6a中观察到的扁平粒子厚度相吻合。

通过悬浮液雾化特性及涂层沉积状况, 可根据涂层性能要求调整涂层形貌与结构:将悬浮液送到等离子外焰, 得到大量未完全熔融的涂层组织;将悬浮液全部送入等离子焰心, 得到中扁平粒子比例大大增加的涂层组织, 这对提高涂层结合强度及硬度都十分有利。在实际喷涂中, 整个基体表面都要经过等离子火焰均匀喷扫, 每次外焰喷扫产生的开孔在下次内焰喷扫后被扁平粒子覆盖保留在涂层内部, 形成大量均匀弥散分布的闭孔 (见图7) , 这种微观结构可显著降低涂层热导率[11]。与常规APS涂层相比, SPS涂层断面为非层状结构, 无横向层间微裂纹, 这有助于提高涂层抗热震性。

2.4 涂层的热循环特性

悬浮液等离子喷涂热障涂层平均热循环114次后失效, 失效形式表现为边缘处涂层剥落。裂纹扩展是涂层脱落失效的直接原因, 在悬浮液等离子喷涂热障涂层中存在2种微裂纹, 即扁平粒子上的微裂纹和横穿多个扁平粒子的纵向裂纹[12]。涂层热循环不同次数后表面的SEM形貌见图8。可见, 随着热循环进行, 扁平粒子上的微裂纹首先发生愈合然后保持在稳定状态。裂纹愈合可能是在高温环境中陶瓷和周围气相发生反应生成新物质填充了裂纹[13];但在热循环中YSZ陶瓷层没有产生新相[12]。所以, 扁平粒子上的裂纹愈合并非被填充, 而是裂纹局部表面曲度变化所致, 实质是裂纹附近长程原子重排[14], 类似于烧结过程中孔隙的排出。原子扩散和重排也体现在涂层晶粒尺寸变化上, 20次热循环后涂层晶粒平均尺寸为95 nm, 60次热循环后增大至138 nm, 并且部分晶粒异常长大。

涂层热循环120次失效后表面光学显微形貌和断面SEM形貌见图9。涂层纵向裂纹随热循环进行而扩展, 经120次热循环失效后, 涂层表面纵向裂纹呈网状分布 (见图9a) ;且已扩展至陶瓷涂层内部, 扩展过程中基本没有发生偏转 (见图9b) 。涂层中除纵向裂纹外, 还有位于陶瓷层与粘结层界面处的横向裂纹, 横向裂纹扩展最终导致涂层脱落失效。当粘结层表面生成连续热生长氧化物时, 界面组织应力增大, 容易导致横向裂纹萌生[15];粘结层表面未观察到明显黑色热生长氧化物, 这主要是由于热循环试验中保温时间较短, 不足以使粘结层表面金属氧化。其横向裂纹萌生和扩展的动力主要来源于热循环试验中陶瓷层和粘结层间的热应力, 由于陶瓷层和粘结层热膨胀系数存在差异, 涂层纵向热应力大于横向热应力, 导致横向裂纹宽度较纵向裂纹宽。所以, 采用适当工艺或材料改善陶瓷层和粘结层间的热应力将会延长SPS涂层热循环寿命。

3 结论

(1) 制备的悬浮液分散效果较好, 93.38%YSZ粒子尺寸分布在0.417~3.311μm, 在喷涂过程中能够满足均匀持续有效送料的要求。

(2) 悬浮液经等离子火焰焰心雾化得到致密的熔融YSZ小球粒子, 经焰心加速撞击基体表面铺展成扁平粒子, 粒径3~7μm;悬浮液在外焰雾化后呈未完全熔融的疏松球状或无定形粒子, 撞击基体后铺展效应不明显, 堆积时易形成孔隙。改变悬浮液在等离子火焰中的雾化区域可改变涂层形貌, 进而获取不同性能涂层。

(3) 在热循环过程中, 扁平粒子表面的微裂纹发生愈合, 涂层晶粒长大。涂层表面纵向裂纹在热循环试验后扩展深入到涂层内部, 粘结层与陶瓷层间横向裂纹的萌生扩展导致SPS热障涂层最终脱落失效。

摘要:悬浮液等离子喷涂 (SPS) 较大气等离子喷涂 (APS) 具有诸多优势, 目前对SPS涂层沉积机理报道较少。采用6%8%Y2O3-ZrO2 (YSZ) 悬浮液送料进行等离子喷涂制备热障涂层, 利用激光粒度仪测试悬浮液中的YSZ粒度, 采用扫描电镜 (SEM) 、光学显微镜观察雾化粒子形貌和涂层的显微组织, 探讨涂层的热循环特性并分析其沉积机制。结果表明:悬浮液中93.38%的YSZ粒子尺寸在3.311μm以下;等离子火焰中雾化的YSZ粒子主要有熔融致密的小球状、未完全熔融的疏松球状和未熔融的原始无定形3种形态;喷涂时, 小球状粒子撞击基体表面后主要形成直径37μm的致密扁平粒子, 未完全熔融的疏松球状和无定形态粒子撞击基体时铺展不明显, 粒子堆积时容易形成孔隙;粘结层与陶瓷层间横向裂纹的萌生扩展导致热障涂层最终脱落失效。

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