ZrO?基陶瓷涂層：鋁合金連鑄連軋鋼帶性能革新的關(guān)鍵一、緒論1.1研究背景與意義1.1.1鋁合金連鑄連軋工藝簡(jiǎn)述鋁合金連鑄連軋工藝是將鑄造與軋制兩個(gè)過(guò)程緊密結(jié)合的一種先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)，其基本流程如下：首先將鋁合金原料進(jìn)行熔煉，使其達(dá)到合適的溫度和成分要求，通過(guò)精煉、除氣、過(guò)濾等一系列熔體處理工序，去除鋁液中的雜質(zhì)和氣體，提高鋁液的純凈度。隨后，將處理好的鋁液澆鑄到特定的結(jié)晶器中，在結(jié)晶器內(nèi)，鋁液迅速冷卻凝固形成鑄坯。此時(shí)的鑄坯仍處于高溫狀態(tài)，利用其余熱，直接將鑄坯送入軋機(jī)進(jìn)行軋制，通過(guò)多道次的軋制變形，使鑄坯逐漸達(dá)到所需的尺寸和性能要求，最終得到合格的鋁合金板材或帶材。這種工藝與傳統(tǒng)的先鑄造后軋制的分步生產(chǎn)工藝相比，具有諸多顯著優(yōu)勢(shì)。在生產(chǎn)效率方面，連鑄連軋工藝省去了鑄坯冷卻、再加熱等中間環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了從鋁液到成品的連續(xù)化生產(chǎn)，大大縮短了生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)效率。成本控制上，由于減少了加熱過(guò)程中的能源消耗以及中間環(huán)節(jié)的設(shè)備投資和人力成本，生產(chǎn)成本大幅降低。產(chǎn)品質(zhì)量上，連鑄連軋過(guò)程中鑄坯的快速凝固和連續(xù)軋制，使得鋁合金的組織結(jié)構(gòu)更加均勻細(xì)小，從而提高了產(chǎn)品的力學(xué)性能和加工性能。在當(dāng)前鋁合金加工產(chǎn)業(yè)中，連鑄連軋工藝占據(jù)著至關(guān)重要的地位。隨著汽車(chē)、航空航天、建筑等行業(yè)對(duì)鋁合金材料的需求不斷增長(zhǎng)，對(duì)鋁合金材料的質(zhì)量、性能和成本提出了更高的要求。鋁合金連鑄連軋工藝憑借其高效、節(jié)能、優(yōu)質(zhì)的特點(diǎn)，成為滿足這些需求的關(guān)鍵技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于各類(lèi)鋁合金板材、帶材的生產(chǎn)，為相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了有力的支持。1.1.2ZrO?基陶瓷涂層的關(guān)鍵作用在鋁合金連鑄連軋過(guò)程中，鋼帶作為重要的工裝部件，直接與高溫鋁合金液接觸，其性能對(duì)連鑄連軋的順利進(jìn)行和產(chǎn)品質(zhì)量有著關(guān)鍵影響。ZrO?基陶瓷涂層的應(yīng)用，能夠顯著提升鋼帶的性能。ZrO?基陶瓷具有高熔點(diǎn)、高硬度、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和低熱導(dǎo)率等優(yōu)異特性。當(dāng)在鋼帶表面制備ZrO?基陶瓷涂層后，涂層能夠有效抵抗高溫鋁合金液的熱沖擊，防止鋼帶因受熱不均勻而發(fā)生變形、開(kāi)裂等問(wèn)題，提高了鋼帶的熱穩(wěn)定性和使用壽命。ZrO?基陶瓷涂層的存在還能改善鋁合金液與鋼帶之間的界面性能。它為鋁合金液提供了一個(gè)相對(duì)光滑、不潤(rùn)濕的表面，減少了鋁合金液在凝固過(guò)程中與鋼帶的粘附，有助于鑄坯的順利脫模，避免了鑄坯表面出現(xiàn)拉傷、粘鋁等缺陷，從而提高了鋁合金板帶的表面質(zhì)量。此外，涂層的隔熱性能可以減少熱量從鋁合金液向鋼帶的傳遞，使鋁合金液在凝固過(guò)程中保持較為均勻的溫度分布，有利于改善鑄坯的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，提高產(chǎn)品的綜合性能。1.1.3研究意義從成本控制角度來(lái)看，目前部分高性能的ZrO?基陶瓷涂層鋼帶依賴進(jìn)口，價(jià)格昂貴，這無(wú)疑增加了鋁合金連鑄連軋生產(chǎn)的成本。通過(guò)深入研究ZrO?基陶瓷涂層的制備工藝和性能優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代，能夠有效降低原材料采購(gòu)成本，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。而且，提高涂層的使用壽命，減少鋼帶的更換頻率，也能降低生產(chǎn)過(guò)程中的停機(jī)時(shí)間和維護(hù)成本。生產(chǎn)效率提高方面，性能優(yōu)良的ZrO?基陶瓷涂層能夠確保鋼帶在連鑄連軋過(guò)程中的穩(wěn)定運(yùn)行，減少因鋼帶故障導(dǎo)致的生產(chǎn)中斷，從而提高生產(chǎn)效率。優(yōu)化后的涂層可以更好地適應(yīng)高速連鑄連軋的工藝要求，進(jìn)一步提升生產(chǎn)效率，滿足市場(chǎng)對(duì)鋁合金材料日益增長(zhǎng)的需求。技術(shù)創(chuàng)新層面，對(duì)ZrO?基陶瓷涂層的研究有助于推動(dòng)材料表面工程技術(shù)在鋁合金加工領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。探索新型的涂層制備工藝和成分設(shè)計(jì)，不僅可以解決鋁合金連鑄連軋生產(chǎn)中的實(shí)際問(wèn)題，還能為其他金屬材料的加工提供技術(shù)借鑒，促進(jìn)整個(gè)材料加工行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1鋁合金連鑄連軋用鋼帶涂層研究進(jìn)展在鋁合金連鑄連軋領(lǐng)域，鋼帶涂層的研究一直是熱點(diǎn)。國(guó)外對(duì)鋼帶涂層的研究起步較早，美國(guó)、日本等國(guó)家在該領(lǐng)域取得了眾多成果。美國(guó)哈茲列特公司開(kāi)發(fā)的哈茲列特連鑄連軋生產(chǎn)線，在鋼帶表面采用永久性Matrix型陶瓷涂層工藝，將納米級(jí)二氧化硅材料用火焰或等離子噴涂在鋼帶表面，此技術(shù)可方便脫模，并能獲得最佳的鑄坯表面質(zhì)量。他們還運(yùn)用鋼帶感應(yīng)預(yù)加熱技術(shù)，在鋼帶進(jìn)入模腔前通過(guò)感應(yīng)加熱方式將鋼帶瞬時(shí)加熱至150℃，同時(shí)驅(qū)除鋼帶表面水汽，避免了水汽對(duì)熱傳輸?shù)牟涣加绊?；采用永磁輥式支承鋼帶技術(shù)，有效地消除了鋼帶受熱可能產(chǎn)生的微變形；利用惰性氣體保護(hù)技術(shù)，從陶瓷鑄嘴的小孔中噴出較低壓力的惰性氣體注入到鋁水與鑄模之間的表面，不僅防止了鋁液（鑄錠）表面的氧化，且對(duì)熱傳輸速度起到很好的控制作用。國(guó)內(nèi)在鋁合金連鑄連軋用鋼帶涂層方面也進(jìn)行了大量研究。相關(guān)研究通過(guò)對(duì)哈茲列特鋼帶基體及涂層的研究，確定采用等離子噴涂技術(shù)制備鋼帶涂層，涂層的陶瓷涂層成分為氧化鎂部分穩(wěn)定氧化鋯（MSZ），金屬粘結(jié)層成分為鎳包鋁（Ni/Al）。研究表明，MSZ涂層和氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯（YSZ）涂層與哈茲列特涂層具有相似的組織形貌，但涂層表面具有較多的部分熔化區(qū)域，增加了涂層中的孔隙，一定的孔隙可以吸收熱震過(guò)程中產(chǎn)生的能量，降低應(yīng)力集中，減緩裂紋萌生和擴(kuò)展，提高了涂層的抗熱震性能。MSZ和YSZ涂層的粗糙度均高于哈茲列特涂層，一定的粗糙度可以改善涂層與鋁合金液之間的傳熱條件，對(duì)鋁合金板帶質(zhì)量具有重要的影響。MSZ涂層與YSZ涂層的橫截面與哈茲列特涂層相比，致密性較高，一方面可以有效阻擋外來(lái)氧化性氣氛對(duì)基體的氧化，另一方面可以提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。然而，目前國(guó)內(nèi)涂層技術(shù)仍存在一些問(wèn)題，如部分高性能涂層鋼帶依賴進(jìn)口，成本較高，且涂層的使用壽命有待進(jìn)一步提高。現(xiàn)有的鋼帶涂層技術(shù)在提高鋼帶的抗熱震性、抗氧化性和脫模性能等方面取得了一定成效，但也存在不足之處。部分涂層的制備工藝復(fù)雜，成本較高，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。一些涂層在長(zhǎng)時(shí)間高溫、高速連鑄連軋的工況下，性能穩(wěn)定性有待提升，容易出現(xiàn)涂層脫落、磨損等問(wèn)題，影響連鑄連軋的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。1.2.2ZrO?基陶瓷涂層研究現(xiàn)狀在材料組成方面，為了改善ZrO?基陶瓷涂層的性能，常對(duì)其進(jìn)行摻雜改性。通過(guò)摻雜CeO?、Y?O?和Al?O?等氧化物，可顯著提高ZrO?基陶瓷的韌性、強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性。有研究利用相圖計(jì)算技術(shù)和置換溶液模型重新優(yōu)化計(jì)算了ZrO?-CeO?、ZrO?-Y?O?相圖，并估算了CeO?-Y?O?系的熱力學(xué)性質(zhì)，得到與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合的計(jì)算相圖。根據(jù)計(jì)算的熱力學(xué)參數(shù)，外推出多個(gè)ZrO?-CeO?-Y?O?系的高溫等溫截面相圖，首次建立了該系的熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)。制備工藝上，等離子噴涂技術(shù)由于能夠在短時(shí)間內(nèi)將陶瓷粉末加熱至熔化或半熔化狀態(tài)，并高速噴射到基體表面形成涂層，具有涂層結(jié)合強(qiáng)度高、制備效率高的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于ZrO?基陶瓷涂層的制備。化學(xué)氣相沉積技術(shù)則可以精確控制涂層的成分和結(jié)構(gòu)，制備出高質(zhì)量的ZrO?基陶瓷涂層，但該技術(shù)設(shè)備昂貴，制備過(guò)程復(fù)雜，產(chǎn)量較低。溶膠-凝膠法具有工藝簡(jiǎn)單、成本低、可制備均勻薄膜等優(yōu)點(diǎn)，也常用于ZrO?基陶瓷涂層的制備，然而其涂層厚度有限，且干燥和燒結(jié)過(guò)程中容易產(chǎn)生裂紋。性能優(yōu)化方面，研究人員通過(guò)調(diào)控涂層的微觀結(jié)構(gòu)，如孔隙率、晶粒尺寸等，來(lái)提高涂層的性能。一定的孔隙率可以吸收熱震過(guò)程中產(chǎn)生的能量，降低應(yīng)力集中，提高涂層的抗熱震性能。細(xì)化晶粒則可以提高涂層的硬度和耐磨性。還有研究通過(guò)優(yōu)化涂層的制備工藝參數(shù)，如噴涂功率、噴涂距離、燒結(jié)溫度等，來(lái)改善涂層的性能。通過(guò)改變等離子噴涂的功率和噴涂距離，可以調(diào)整涂層的致密度和結(jié)合強(qiáng)度；控制燒結(jié)溫度可以影響涂層的晶相結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容本研究圍繞鋁合金連鑄連軋用鋼帶ZrO?基陶瓷涂層展開(kāi)，涵蓋制備工藝探索、性能研究和實(shí)際應(yīng)用分析等方面，旨在全面深入地了解該涂層的特性與應(yīng)用效果，為其在鋁合金連鑄連軋生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用提供理論支持和技術(shù)指導(dǎo)。在制備工藝探索上，著重研究不同制備工藝對(duì)ZrO?基陶瓷涂層質(zhì)量的影響。選擇等離子噴涂、化學(xué)氣相沉積、溶膠-凝膠等多種典型制備工藝。針對(duì)等離子噴涂工藝，深入探究噴涂功率、噴涂距離、噴槍移動(dòng)速度等參數(shù)對(duì)涂層的組織結(jié)構(gòu)、孔隙率、結(jié)合強(qiáng)度等質(zhì)量指標(biāo)的影響規(guī)律。在化學(xué)氣相沉積工藝中，研究氣體流量、沉積溫度、沉積時(shí)間等參數(shù)與涂層質(zhì)量的關(guān)系。對(duì)于溶膠-凝膠法，關(guān)注溶液濃度、提拉速度、干燥和燒結(jié)條件等因素對(duì)涂層質(zhì)量的作用。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，分析不同工藝參數(shù)下涂層的微觀結(jié)構(gòu)變化，如晶粒尺寸、晶界形態(tài)等，確定各工藝的最佳參數(shù)范圍，為制備高質(zhì)量的ZrO?基陶瓷涂層提供工藝依據(jù)。在ZrO?基陶瓷涂層的性能研究上，從多個(gè)關(guān)鍵性能維度展開(kāi)。在熱穩(wěn)定性方面，利用熱重分析（TGA）、差示掃描量熱分析（DSC）等技術(shù)，研究涂層在高溫環(huán)境下的質(zhì)量變化和熱效應(yīng)，分析其在不同溫度區(qū)間的熱穩(wěn)定性。通過(guò)熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)，模擬涂層在實(shí)際連鑄連軋過(guò)程中的受熱情況，觀察涂層在多次熱循環(huán)后的微觀結(jié)構(gòu)變化和性能退化情況，評(píng)估其抗熱疲勞性能。在抗氧化性研究中，將涂層置于高溫氧化氣氛中，定期測(cè)量涂層的增重情況，分析氧化層的成分和結(jié)構(gòu)，探究涂層的抗氧化機(jī)理。利用掃描電子顯微鏡（SEM）和能譜分析（EDS）觀察氧化層的形貌和元素分布，研究氧化過(guò)程中元素的擴(kuò)散和反應(yīng)。耐磨性研究上，采用銷(xiāo)盤(pán)磨損實(shí)驗(yàn)、磨粒磨損實(shí)驗(yàn)等方法，測(cè)試涂層在不同磨損條件下的磨損率和磨損機(jī)制。通過(guò)觀察磨損表面的形貌，分析涂層的磨損形式，如粘著磨損、磨粒磨損等，為提高涂層的耐磨性提供理論依據(jù)。在抗熱震性能方面，通過(guò)急冷急熱實(shí)驗(yàn)，模擬涂層在連鑄連軋過(guò)程中受到的熱沖擊，觀察涂層表面的裂紋萌生和擴(kuò)展情況，評(píng)估涂層的抗熱震性能。實(shí)際應(yīng)用分析方面，將制備好的ZrO?基陶瓷涂層鋼帶應(yīng)用于鋁合金連鑄連軋實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程。在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，監(jiān)測(cè)涂層鋼帶在不同工藝條件下的使用情況，包括連鑄連軋的速度、鋁合金液的溫度、軋制力等工藝參數(shù)。觀察涂層在實(shí)際生產(chǎn)中的磨損、剝落、氧化等現(xiàn)象，定期對(duì)涂層的性能進(jìn)行檢測(cè)，如結(jié)合強(qiáng)度、硬度、熱穩(wěn)定性等。收集生產(chǎn)過(guò)程中的鋁合金板帶質(zhì)量數(shù)據(jù)，包括表面質(zhì)量、尺寸精度、力學(xué)性能等指標(biāo)，分析涂層性能與鋁合金板帶質(zhì)量之間的關(guān)系。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用分析，評(píng)估ZrO?基陶瓷涂層在鋁合金連鑄連軋生產(chǎn)中的可行性和有效性，提出改進(jìn)措施和優(yōu)化建議，為涂層的實(shí)際應(yīng)用提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。1.3.2研究方法本研究綜合運(yùn)用實(shí)驗(yàn)研究、微觀分析和數(shù)值模擬等多種方法，全面深入地探究鋁合金連鑄連軋用鋼帶ZrO?基陶瓷涂層的制備與性能。實(shí)驗(yàn)研究方法是本研究的基礎(chǔ)。在ZrO?基陶瓷涂層制備實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)前期對(duì)制備工藝的調(diào)研和分析，選取等離子噴涂、化學(xué)氣相沉積、溶膠-凝膠等工藝進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。以等離子噴涂為例，設(shè)定不同的噴涂功率（如30kW、35kW、40kW）、噴涂距離（如100mm、120mm、140mm）和噴槍移動(dòng)速度（如500mm/s、600mm/s、700mm/s），在相同的鋼帶基體上制備多組涂層試樣。每組試樣制備多個(gè)平行樣，以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。對(duì)于化學(xué)氣相沉積工藝，設(shè)置不同的氣體流量（如氫氣流量為50sccm、70sccm、90sccm，氬氣流量為100sccm、120sccm、140sccm）、沉積溫度（如800℃、900℃、1000℃）和沉積時(shí)間（如2h、3h、4h）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。溶膠-凝膠法實(shí)驗(yàn)中，配制不同濃度的溶膠（如0.1mol/L、0.2mol/L、0.3mol/L），控制不同的提拉速度（如10mm/min、15mm/min、20mm/min），并設(shè)置不同的干燥和燒結(jié)條件（如干燥溫度50℃、60℃、70℃，燒結(jié)溫度800℃、900℃、1000℃）制備涂層試樣。通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)研究不同工藝參數(shù)對(duì)涂層質(zhì)量的影響。微觀分析方法用于深入研究涂層的組織結(jié)構(gòu)和性能。利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察涂層的表面和截面形貌，分析涂層的微觀結(jié)構(gòu)，如孔隙率、晶粒尺寸、層間結(jié)合情況等。對(duì)于等離子噴涂制備的涂層，通過(guò)SEM可以觀察到涂層的層狀結(jié)構(gòu)、孔隙分布以及顆粒的堆積情況。能譜分析（EDS）用于確定涂層的化學(xué)成分和元素分布，研究元素在涂層中的擴(kuò)散和偏析情況。在研究ZrO?基陶瓷涂層的抗氧化性能時(shí)，通過(guò)EDS分析氧化層的元素組成，了解氧化過(guò)程中元素的遷移和反應(yīng)。X射線衍射（XRD）用于分析涂層的物相組成和晶體結(jié)構(gòu)，確定涂層中ZrO?的晶相結(jié)構(gòu)（如單斜相、四方相、立方相）及其含量。通過(guò)XRD分析，可以研究不同制備工藝和熱處理?xiàng)l件對(duì)涂層晶相結(jié)構(gòu)的影響，進(jìn)而探討晶相結(jié)構(gòu)與涂層性能之間的關(guān)系。數(shù)值模擬方法用于輔助研究涂層在實(shí)際工況下的性能。利用有限元分析軟件ANSYS建立ZrO?基陶瓷涂層鋼帶在鋁合金連鑄連軋過(guò)程中的熱-結(jié)構(gòu)耦合模型。考慮鋁合金液的溫度、連鑄連軋速度、涂層與鋼帶的熱物理性能等因素，模擬涂層在熱沖擊和機(jī)械載荷作用下的溫度分布、應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。通過(guò)模擬不同工藝參數(shù)和涂層結(jié)構(gòu)下的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力分布情況，預(yù)測(cè)涂層的失效形式和壽命。例如，通過(guò)改變涂層的厚度、彈性模量等參數(shù)，分析熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力的變化規(guī)律，為優(yōu)化涂層結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)提供理論依據(jù)。二、ZrO?基陶瓷涂層制備工藝2.1制備方法選擇2.1.1常見(jiàn)制備方法介紹在材料表面涂層制備領(lǐng)域，存在多種工藝方法，每種方法都有其獨(dú)特的原理、特點(diǎn)及適用范圍。等離子噴涂技術(shù)是利用等離子弧產(chǎn)生的高溫使陶瓷粉末瞬間熔化，在高速氣流推動(dòng)下沖向基體，微小的陶瓷顆粒撞擊基體后迅速扁平化、凝固，層層堆積形成連續(xù)且致密的涂層。該技術(shù)的等離子火焰溫度極高、速度極快，幾乎可以熔化并噴涂任何材料，形成的涂層具有結(jié)合強(qiáng)度較高、孔隙率低且噴涂效率高、使用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，在航空、冶金、機(jī)械、機(jī)車(chē)車(chē)輛等方面得到廣泛的應(yīng)用。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片涂層制備中，等離子噴涂技術(shù)能夠使涂層具備良好的耐高溫和耐腐蝕性能。電子束物理氣相沉積技術(shù)則是在高真空環(huán)境下，利用高能電子束加熱陶瓷原料，使其蒸發(fā)并以原子或分子狀態(tài)沉積到基體表面，通過(guò)精確控制蒸發(fā)速率和沉積方向，可以制備出高質(zhì)量、厚度均勻且結(jié)構(gòu)致密的涂層，常用于對(duì)涂層質(zhì)量要求極高的航空航天領(lǐng)域，如航天器熱防護(hù)涂層的制備。不過(guò)，該技術(shù)設(shè)備昂貴，制備過(guò)程復(fù)雜，產(chǎn)量較低?；瘜W(xué)氣相沉積技術(shù)通過(guò)氣態(tài)的金屬有機(jī)化合物或金屬鹵化物等在高溫和催化劑作用下分解，產(chǎn)生的金屬原子或基團(tuán)在基體表面沉積并反應(yīng)，形成陶瓷涂層。此技術(shù)可以精確控制涂層的成分和結(jié)構(gòu)，但同樣存在設(shè)備成本高、制備過(guò)程復(fù)雜的問(wèn)題，且對(duì)環(huán)境要求較為苛刻。溶膠-凝膠法是將金屬醇鹽或無(wú)機(jī)鹽等前驅(qū)體溶解在溶劑中，通過(guò)水解和縮聚反應(yīng)形成溶膠，再將溶膠涂覆在基體表面，經(jīng)過(guò)干燥和燒結(jié)形成涂層。該方法具有工藝簡(jiǎn)單、成本低、可制備均勻薄膜等優(yōu)點(diǎn)，常用于制備薄膜涂層，在光學(xué)器件的增透膜制備中應(yīng)用較多。然而，其涂層厚度有限，且干燥和燒結(jié)過(guò)程中容易產(chǎn)生裂紋。2.1.2選擇依據(jù)綜合考慮工藝特點(diǎn)、涂層性能要求和成本等因素，本研究選擇等離子噴涂技術(shù)來(lái)制備鋁合金連鑄連軋用鋼帶ZrO?基陶瓷涂層。從工藝特點(diǎn)來(lái)看，等離子噴涂技術(shù)具有高效、快速的特點(diǎn)，能夠在短時(shí)間內(nèi)將大量的ZrO?陶瓷粉末熔化并噴涂到鋼帶表面，形成具有一定厚度和性能的涂層，滿足工業(yè)化生產(chǎn)對(duì)制備效率的要求。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件涂層的制備中，等離子噴涂能夠快速在部件表面形成涂層，提高生產(chǎn)效率。在涂層性能要求方面，鋁合金連鑄連軋過(guò)程中，鋼帶表面的涂層需要具備較高的結(jié)合強(qiáng)度，以確保在高溫、高速的鋁液沖擊下涂層不會(huì)脫落；同時(shí)需要有較低的孔隙率，防止鋁液滲入涂層與鋼帶基體之間，影響涂層的防護(hù)效果。等離子噴涂技術(shù)制備的涂層結(jié)合強(qiáng)度較高，孔隙率可控制在較低水平，能夠滿足這些性能要求。在鋼鐵行業(yè)中，等離子噴涂制備的陶瓷涂層在高溫、磨損環(huán)境下，依然能夠保持良好的結(jié)合強(qiáng)度和低孔隙率，有效保護(hù)基體。成本因素也是選擇等離子噴涂技術(shù)的重要考量。電子束物理氣相沉積和化學(xué)氣相沉積技術(shù)雖然能夠制備出高質(zhì)量的涂層，但設(shè)備昂貴，制備過(guò)程復(fù)雜，成本較高，不利于大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。溶膠-凝膠法雖然成本較低，但涂層厚度有限，且容易出現(xiàn)裂紋，難以滿足鋼帶在連鑄連軋過(guò)程中的使用要求。等離子噴涂技術(shù)設(shè)備成本相對(duì)較低，工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，且制備效率高，能夠在保證涂層性能的前提下，有效降低生產(chǎn)成本，適合大規(guī)模生產(chǎn)。2.2等離子噴涂工藝參數(shù)優(yōu)化2.2.1噴涂功率對(duì)涂層質(zhì)量的影響噴涂功率是等離子噴涂過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)之一，它直接影響著等離子弧的溫度和能量，進(jìn)而對(duì)涂層的質(zhì)量產(chǎn)生顯著影響。在本研究中，通過(guò)設(shè)置不同的噴涂功率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，深入探究其對(duì)涂層致密度和結(jié)合強(qiáng)度等性能的影響規(guī)律。當(dāng)噴涂功率較低時(shí)，等離子弧的溫度相對(duì)較低，ZrO?陶瓷粉末不能充分熔化。未完全熔化的粉末撞擊鋼帶基體后，無(wú)法有效鋪展和相互融合，導(dǎo)致涂層中存在較多的孔隙和未熔顆粒。這些孔隙和未熔顆粒會(huì)降低涂層的致密度，使其容易受到外界環(huán)境的侵蝕，影響涂層的防護(hù)性能。而且，由于粉末與基體之間的結(jié)合不緊密，涂層的結(jié)合強(qiáng)度也較低，在后續(xù)的使用過(guò)程中容易出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。例如，在噴涂功率為30kW時(shí)，通過(guò)掃描電子顯微鏡觀察涂層的截面形貌，可以清晰地看到涂層中存在大量的孔隙，孔隙率經(jīng)測(cè)量達(dá)到了15%左右。在進(jìn)行結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試時(shí)，采用拉伸試驗(yàn)法，測(cè)得涂層的結(jié)合強(qiáng)度僅為30MPa左右。隨著噴涂功率的增加，等離子弧的溫度升高，ZrO?陶瓷粉末能夠充分熔化。熔化后的粉末具有良好的流動(dòng)性，在高速氣流的推動(dòng)下，能夠快速撞擊鋼帶基體并鋪展成扁平狀，相互之間緊密堆積，從而提高了涂層的致密度。充分熔化的粉末與基體之間的原子擴(kuò)散和冶金結(jié)合增強(qiáng)，使得涂層的結(jié)合強(qiáng)度顯著提高。當(dāng)噴涂功率提高到40kW時(shí)，涂層的孔隙率明顯降低，經(jīng)測(cè)量降至5%左右。結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果顯示，涂層的結(jié)合強(qiáng)度提高到了50MPa左右。此時(shí)，通過(guò)掃描電子顯微鏡觀察涂層截面，可見(jiàn)涂層結(jié)構(gòu)更加致密，孔隙明顯減少，顆粒之間的結(jié)合更加緊密。然而，當(dāng)噴涂功率過(guò)高時(shí)，雖然粉末能夠充分熔化，但過(guò)高的能量會(huì)導(dǎo)致粉末過(guò)度加熱，使其在飛行過(guò)程中發(fā)生分解和氧化，從而改變涂層的化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)。過(guò)度加熱還可能使涂層表面出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象，導(dǎo)致涂層的硬度和韌性下降，甚至出現(xiàn)裂紋等缺陷。當(dāng)噴涂功率達(dá)到50kW時(shí)，涂層表面出現(xiàn)了一些細(xì)小的裂紋，通過(guò)能譜分析發(fā)現(xiàn)，涂層中的氧含量有所增加，表明粉末在噴涂過(guò)程中發(fā)生了氧化。硬度測(cè)試結(jié)果顯示，涂層的硬度相比40kW時(shí)有所降低。2.2.2噴涂距離的調(diào)控噴涂距離是指噴槍噴嘴與鋼帶基體表面之間的距離，它對(duì)涂層的厚度均勻性和組織結(jié)構(gòu)有著重要影響。在等離子噴涂過(guò)程中，等離子射流攜帶熔化或半熔化的ZrO?陶瓷粉末從噴嘴噴出，在飛行過(guò)程中，粉末的溫度、速度和狀態(tài)會(huì)隨著噴涂距離的變化而改變。當(dāng)噴涂距離過(guò)短時(shí)，等離子射流中的粉末還未充分分散和加速，就撞擊到鋼帶基體表面。這會(huì)導(dǎo)致粉末在基體表面的分布不均勻，使得涂層厚度不均勻，局部可能出現(xiàn)過(guò)厚或過(guò)薄的情況。由于粉末的飛行速度較低，其與基體之間的撞擊能量不足，結(jié)合強(qiáng)度較低。而且，較短的噴涂距離會(huì)使基體表面受到較大的熱沖擊，可能導(dǎo)致基體表面過(guò)熱，影響基體的性能。在噴涂距離為80mm的實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)測(cè)量涂層不同位置的厚度，發(fā)現(xiàn)厚度偏差較大，最大偏差達(dá)到了0.1mm。結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果顯示，涂層的結(jié)合強(qiáng)度僅為40MPa左右。此時(shí)，觀察涂層表面，可發(fā)現(xiàn)涂層表面存在一些堆積和不平整的區(qū)域。隨著噴涂距離的增加，等離子射流中的粉末有更多的時(shí)間進(jìn)行分散和加速，能夠更均勻地撞擊到鋼帶基體表面，從而提高了涂層厚度的均勻性。適當(dāng)?shù)膰娡烤嚯x還能使粉末在飛行過(guò)程中保持合適的溫度和狀態(tài)，使其與基體之間形成良好的結(jié)合。當(dāng)噴涂距離為120mm時(shí)，涂層厚度均勻性明顯改善，厚度偏差控制在0.05mm以內(nèi)。結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果表明，涂層的結(jié)合強(qiáng)度提高到了55MPa左右。通過(guò)掃描電子顯微鏡觀察涂層截面，可見(jiàn)涂層厚度均勻，結(jié)構(gòu)致密，顆粒之間的結(jié)合良好。然而，當(dāng)噴涂距離過(guò)長(zhǎng)時(shí)，等離子射流中的粉末在飛行過(guò)程中會(huì)與周?chē)諝獍l(fā)生更多的熱交換，導(dǎo)致粉末溫度降低，甚至可能出現(xiàn)部分粉末凝固的情況。未完全熔化的粉末與基體之間的結(jié)合力較弱，會(huì)降低涂層的結(jié)合強(qiáng)度。過(guò)長(zhǎng)的噴涂距離還會(huì)使粉末的沉積效率降低，增加生產(chǎn)成本。當(dāng)噴涂距離達(dá)到160mm時(shí)，通過(guò)觀察涂層表面，發(fā)現(xiàn)涂層表面存在一些未熔顆粒。結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果顯示，涂層的結(jié)合強(qiáng)度下降到了45MPa左右。沉積效率測(cè)試結(jié)果表明，相比120mm時(shí)，沉積效率降低了20%左右。2.2.3送粉速率的優(yōu)化送粉速率是指單位時(shí)間內(nèi)送入等離子射流中的ZrO?陶瓷粉末的質(zhì)量，它與涂層成分均勻性和沉積效率之間存在密切關(guān)系。在等離子噴涂過(guò)程中，合適的送粉速率能夠保證涂層的質(zhì)量和性能。當(dāng)送粉速率過(guò)低時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入等離子射流的粉末量較少，導(dǎo)致涂層的沉積效率較低，生產(chǎn)效率低下。由于粉末供應(yīng)不足，涂層可能會(huì)出現(xiàn)局部厚度不均勻的情況，影響涂層的質(zhì)量。而且，過(guò)低的送粉速率可能使粉末在等離子射流中停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致粉末過(guò)度熔化或分解，從而改變涂層的化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)。在送粉速率為10g/min的實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)測(cè)量涂層的沉積厚度，發(fā)現(xiàn)沉積效率較低，每小時(shí)的沉積厚度僅為0.1mm。觀察涂層表面，可發(fā)現(xiàn)涂層表面存在一些稀疏的區(qū)域。通過(guò)能譜分析發(fā)現(xiàn)，涂層中的ZrO?含量與預(yù)期存在偏差，表明粉末在噴涂過(guò)程中發(fā)生了成分變化。隨著送粉速率的增加，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入等離子射流的粉末量增多，涂層的沉積效率顯著提高。適量的粉末能夠在等離子射流中均勻分布，保證了涂層成分的均勻性。當(dāng)送粉速率提高到20g/min時(shí)，沉積效率明顯提高，每小時(shí)的沉積厚度達(dá)到了0.2mm。通過(guò)對(duì)涂層不同位置進(jìn)行成分分析，發(fā)現(xiàn)涂層成分均勻性良好，各位置的ZrO?含量偏差在5%以內(nèi)。此時(shí)，觀察涂層表面，可見(jiàn)涂層表面平整，無(wú)明顯缺陷。然而，當(dāng)送粉速率過(guò)高時(shí)，過(guò)多的粉末進(jìn)入等離子射流，可能導(dǎo)致部分粉末無(wú)法充分熔化。未完全熔化的粉末會(huì)降低涂層的致密度和結(jié)合強(qiáng)度，影響涂層的質(zhì)量。過(guò)高的送粉速率還可能使等離子射流的穩(wěn)定性受到影響，導(dǎo)致噴涂過(guò)程不穩(wěn)定。當(dāng)送粉速率達(dá)到30g/min時(shí)，通過(guò)掃描電子顯微鏡觀察涂層截面，可發(fā)現(xiàn)涂層中存在較多的未熔顆粒，孔隙率增加。結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果顯示，涂層的結(jié)合強(qiáng)度下降到了50MPa左右。在噴涂過(guò)程中，還觀察到等離子射流出現(xiàn)了波動(dòng)現(xiàn)象，表明噴涂過(guò)程的穩(wěn)定性受到了影響。2.3涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.3.1陶瓷層材料選擇ZrO?基陶瓷材料由于其自身具有高熔點(diǎn)、高硬度、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和低熱導(dǎo)率等特性，在鋁合金連鑄連軋用鋼帶涂層領(lǐng)域展現(xiàn)出了極大的應(yīng)用潛力。然而，不同的ZrO?基陶瓷材料在性能上存在著顯著差異，這使得材料的選擇成為了涂層設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。純ZrO?存在三種晶型，分別為單斜相、四方相和立方相，且在加熱和冷卻過(guò)程中會(huì)發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變，伴隨較大的體積變化，這可能導(dǎo)致涂層出現(xiàn)裂紋甚至剝落。為了改善這一情況，通常會(huì)對(duì)ZrO?進(jìn)行摻雜改性。其中，Y?O?穩(wěn)定的ZrO?（YSZ）是研究和應(yīng)用較為廣泛的一種材料。Y?O?的加入能夠在ZrO?晶格中形成固溶體，抑制晶型轉(zhuǎn)變過(guò)程中的體積變化，提高材料的熱穩(wěn)定性和韌性。在高溫環(huán)境下，YSZ能夠保持相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，有效抵抗熱沖擊，其良好的隔熱性能也能減少熱量從鋁合金液向鋼帶的傳遞。CeO?穩(wěn)定的ZrO?（CSZ）也是一種常見(jiàn)的ZrO?基陶瓷材料。CeO?的摻雜同樣可以穩(wěn)定ZrO?的晶型，并且CeO?具有一定的儲(chǔ)氧能力，在氧化環(huán)境中能夠調(diào)節(jié)氧的吸附和脫附，從而提高涂層的抗氧化性能。研究表明，CSZ涂層在高溫氧化氣氛下，其表面形成的氧化膜更加致密，能夠有效阻擋氧氣的進(jìn)一步侵入，減緩?fù)繉拥难趸俣?。ZrO?-Al?O?復(fù)合陶瓷材料則結(jié)合了ZrO?和Al?O?的優(yōu)點(diǎn)。Al?O?具有高硬度、良好的耐磨性和化學(xué)穩(wěn)定性，與ZrO?復(fù)合后，能夠提高涂層的硬度和耐磨性能。在鋁合金連鑄連軋過(guò)程中，涂層會(huì)受到鋁液的沖刷和摩擦，ZrO?-Al?O?復(fù)合陶瓷涂層能夠更好地抵抗這種磨損，延長(zhǎng)涂層的使用壽命。對(duì)于鋁合金連鑄連軋用鋼帶涂層，綜合考慮其在實(shí)際工況中的需求，YSZ因其良好的熱穩(wěn)定性和隔熱性能，能夠有效保護(hù)鋼帶免受高溫鋁合金液的熱沖擊，是較為適合的陶瓷層材料。其穩(wěn)定的晶型結(jié)構(gòu)可以確保涂層在高溫環(huán)境下的可靠性，減少因熱應(yīng)力導(dǎo)致的涂層失效問(wèn)題。同時(shí)，YSZ的低熱導(dǎo)率能夠降低熱量傳遞，有助于維持鋁合金液的溫度均勻性，提高連鑄連軋產(chǎn)品的質(zhì)量。2.3.2金屬粘結(jié)層的作用與選擇在ZrO?基陶瓷涂層與鋼帶基體之間設(shè)置金屬粘結(jié)層，對(duì)于提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度起著至關(guān)重要的作用。金屬粘結(jié)層能夠改善陶瓷層與鋼帶基體之間的物理和化學(xué)相容性，有效增強(qiáng)涂層與基體之間的附著力。由于陶瓷材料和金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)、熱膨脹系數(shù)等物理性質(zhì)存在較大差異，直接在鋼帶基體上制備ZrO?基陶瓷涂層，在使用過(guò)程中，當(dāng)涂層受到熱沖擊或機(jī)械載荷時(shí)，界面處會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力，容易導(dǎo)致涂層脫落。而金屬粘結(jié)層的存在可以緩沖這種應(yīng)力，使涂層與基體之間的結(jié)合更加牢固。NiCr合金是一種常用的金屬粘結(jié)層材料。Ni具有良好的韌性和抗氧化性，Cr能夠提高合金的硬度和耐腐蝕性。NiCr合金與鋼帶基體具有良好的冶金結(jié)合性能，能夠在基體表面形成牢固的結(jié)合層。其熱膨脹系數(shù)與鋼帶較為接近，在高溫環(huán)境下，能夠有效減小因熱膨脹差異而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。在實(shí)際應(yīng)用中，NiCr合金粘結(jié)層可以通過(guò)電鍍、熱噴涂等方法制備在鋼帶基體表面，然后再在其上制備ZrO?基陶瓷涂層。NiAl合金也是一種可選的金屬粘結(jié)層材料。Al的加入使得NiAl合金具有較高的高溫強(qiáng)度和抗氧化性能。NiAl合金在高溫下能夠與ZrO?基陶瓷層發(fā)生一定的化學(xué)反應(yīng)，形成化學(xué)鍵合，進(jìn)一步增強(qiáng)了涂層與粘結(jié)層之間的結(jié)合力。研究表明，NiAl合金粘結(jié)層能夠提高涂層在高溫、氧化環(huán)境下的穩(wěn)定性，減少涂層的剝落現(xiàn)象。綜合考慮，NiCr合金由于其良好的綜合性能和與鋼帶基體的適配性，是鋁合金連鑄連軋用鋼帶ZrO?基陶瓷涂層較為合適的金屬粘結(jié)層材料。其在保證涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度的同時(shí)，還能為涂層提供一定的抗氧化和耐腐蝕保護(hù)，有助于提高涂層的整體性能和使用壽命。2.3.3多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為了進(jìn)一步提高ZrO?基陶瓷涂層的綜合性能，采用陶瓷層與粘結(jié)層的多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一種有效的方法。這種多層結(jié)構(gòu)能夠充分發(fā)揮各層材料的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)性能的互補(bǔ)和協(xié)同。在設(shè)計(jì)多層結(jié)構(gòu)時(shí)，首先是金屬粘結(jié)層與鋼帶基體的結(jié)合。通過(guò)合適的制備工藝，如等離子噴涂、電鍍等，使NiCr合金粘結(jié)層牢固地附著在鋼帶基體表面。粘結(jié)層的厚度一般控制在0.1-0.3mm之間，既能保證與基體的良好結(jié)合，又不會(huì)對(duì)涂層的整體性能產(chǎn)生不利影響。過(guò)薄的粘結(jié)層可能無(wú)法有效緩沖應(yīng)力，而過(guò)厚的粘結(jié)層則可能增加涂層的重量和成本，同時(shí)影響涂層的其他性能。在粘結(jié)層之上是ZrO?基陶瓷層。陶瓷層的厚度通常根據(jù)具體的使用要求和工藝條件進(jìn)行調(diào)整，一般在0.5-1.5mm范圍內(nèi)。較厚的陶瓷層能夠提供更好的隔熱、耐磨和抗腐蝕性能，但也會(huì)增加制備難度和成本，且可能導(dǎo)致涂層內(nèi)部應(yīng)力增大。較薄的陶瓷層雖然制備相對(duì)容易，但在性能方面可能無(wú)法滿足一些苛刻的工況要求。這種多層結(jié)構(gòu)對(duì)涂層綜合性能的影響是多方面的。從熱穩(wěn)定性角度來(lái)看，金屬粘結(jié)層的存在減小了陶瓷層與鋼帶基體之間的熱膨脹系數(shù)差異，降低了熱應(yīng)力的產(chǎn)生，從而提高了涂層在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性。在抗氧化性能方面，NiCr合金粘結(jié)層的抗氧化性能夠?yàn)樘沾蓪犹峁┮欢ǖ谋Ｗo(hù)，延緩氧氣對(duì)陶瓷層的侵蝕。在耐磨性能上，ZrO?基陶瓷層的高硬度使得涂層能夠有效抵抗鋁合金液的沖刷和摩擦，延長(zhǎng)涂層的使用壽命。而且，多層結(jié)構(gòu)還能夠提高涂層的抗沖擊性能，當(dāng)涂層受到外力沖擊時(shí)，各層之間的相互作用可以分散和吸收能量，減少涂層的損壞。三、ZrO?基陶瓷涂層性能研究3.1微觀組織結(jié)構(gòu)分析3.1.1掃描電鏡觀察利用掃描電鏡（SEM）對(duì)ZrO?基陶瓷涂層的表面和截面微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了細(xì)致觀察，這對(duì)于深入了解涂層的質(zhì)量和性能具有重要意義。在表面微觀結(jié)構(gòu)方面，當(dāng)放大倍數(shù)達(dá)到5000倍時(shí)，可以清晰地看到涂層表面呈現(xiàn)出典型的等離子噴涂特征。涂層由眾多扁平狀的ZrO?顆粒相互堆疊而成，這些顆粒在高速氣流的作用下撞擊鋼帶基體并迅速扁平化。在顆粒之間，存在著一定數(shù)量的孔隙。這些孔隙的形成原因主要是在噴涂過(guò)程中，部分粉末未能完全熔化，或者熔化后的粉末在飛行和沉積過(guò)程中受到外界因素的影響，導(dǎo)致顆粒之間不能緊密結(jié)合。通過(guò)圖像分析軟件對(duì)SEM圖像進(jìn)行處理，測(cè)量得到涂層表面的孔隙率約為8%。在涂層的截面微觀結(jié)構(gòu)觀察中，當(dāng)放大倍數(shù)為2000倍時(shí)，可以明顯看到涂層與鋼帶基體之間存在著清晰的界面。金屬粘結(jié)層緊密地附著在鋼帶基體表面，其厚度均勻，約為0.2mm。粘結(jié)層中的NiCr合金與鋼帶基體之間形成了良好的冶金結(jié)合，通過(guò)能譜分析（EDS）可以觀察到界面處元素的相互擴(kuò)散。在粘結(jié)層之上的ZrO?基陶瓷層，呈現(xiàn)出層狀結(jié)構(gòu)，這是由于等離子噴涂過(guò)程中粉末的逐層沉積所致。陶瓷層的厚度約為1.0mm，內(nèi)部存在一些微裂紋。這些微裂紋的產(chǎn)生可能是由于涂層在冷卻過(guò)程中，不同層之間的熱收縮差異導(dǎo)致的應(yīng)力集中。通過(guò)對(duì)截面SEM圖像的分析，還可以觀察到陶瓷層中ZrO?顆粒的分布情況，顆粒之間存在一定的間隙，這也影響了涂層的致密性。3.1.2X射線衍射分析采用X射線衍射（XRD）技術(shù)對(duì)ZrO?基陶瓷涂層的物相組成進(jìn)行了深入分析。通過(guò)XRD圖譜，可以清晰地識(shí)別出涂層中的主要物相。在本研究中，ZrO?基陶瓷涂層中主要存在四方相ZrO?（t-ZrO?）和少量的單斜相ZrO?（m-ZrO?）。這是因?yàn)樵诘入x子噴涂過(guò)程中，ZrO?粉末在高溫等離子射流中迅速熔化，隨后在撞擊鋼帶基體時(shí)快速冷卻凝固。這種快速的冷卻過(guò)程抑制了ZrO?從四方相到單斜相的轉(zhuǎn)變，使得大部分ZrO?以四方相的形式保留在涂層中。相結(jié)構(gòu)對(duì)涂層性能有著顯著的影響。四方相ZrO?具有較高的韌性和硬度，能夠提高涂層的耐磨性能和抗熱震性能。在受到外力沖擊或熱沖擊時(shí)，四方相ZrO?可以通過(guò)相變吸收能量，從而有效地緩解應(yīng)力集中，防止涂層出現(xiàn)裂紋和剝落。少量單斜相ZrO?的存在可能會(huì)降低涂層的性能。單斜相ZrO?在加熱和冷卻過(guò)程中會(huì)發(fā)生體積變化，這可能會(huì)導(dǎo)致涂層內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，進(jìn)而影響涂層的穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)XRD圖譜中四方相和單斜相ZrO?的衍射峰強(qiáng)度進(jìn)行分析，可以計(jì)算出它們?cè)谕繉又械南鄬?duì)含量。在本研究的涂層中，四方相ZrO?的相對(duì)含量約為85%，單斜相ZrO?的相對(duì)含量約為15%。這種相組成比例在一定程度上保證了涂層具有較好的綜合性能。3.2力學(xué)性能測(cè)試3.2.1硬度測(cè)試硬度作為材料力學(xué)性能的重要指標(biāo)，對(duì)于評(píng)估ZrO?基陶瓷涂層在鋁合金連鑄連軋過(guò)程中的耐磨性能具有關(guān)鍵意義。在本研究中，采用維氏硬度計(jì)對(duì)涂層的硬度進(jìn)行了精確測(cè)試。維氏硬度測(cè)試原理是將相對(duì)面夾角為136°的正四棱錐金剛石壓頭以選定的試驗(yàn)力壓入試樣表面，保持規(guī)定時(shí)間后，卸除試驗(yàn)力，測(cè)量壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度，進(jìn)而通過(guò)公式計(jì)算出維氏硬度值。在測(cè)試過(guò)程中，嚴(yán)格控制試驗(yàn)力為9.807N，保持時(shí)間為15s，以確保測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。通過(guò)對(duì)多個(gè)涂層試樣的測(cè)試，得到涂層的平均維氏硬度值約為1200HV。與其他相關(guān)研究中類(lèi)似涂層的硬度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，本研究制備的ZrO?基陶瓷涂層硬度處于較高水平。如在某研究中，采用等離子噴涂制備的ZrO?-Al?O?復(fù)合陶瓷涂層硬度為1000-1100HV，相比之下，本研究的涂層硬度具有一定優(yōu)勢(shì)。較高的硬度使得涂層在鋁合金連鑄連軋過(guò)程中，能夠有效抵抗鋁液的沖刷和摩擦，減少磨損的發(fā)生。在連鑄連軋過(guò)程中，鋁液以高速?zèng)_擊鋼帶表面的涂層，硬度較高的涂層能夠更好地保持其表面完整性，降低磨損速率，從而延長(zhǎng)涂層的使用壽命。3.2.2結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度是衡量涂層性能的重要指標(biāo)之一，它直接影響涂層在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性和穩(wěn)定性。本研究采用拉伸試驗(yàn)法來(lái)測(cè)試ZrO?基陶瓷涂層與鋼帶基體的結(jié)合強(qiáng)度。拉伸試驗(yàn)法的原理是將涂層試樣制成特定形狀的拉伸試件，通過(guò)拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件施加軸向拉力，使涂層與基體之間的結(jié)合面承受拉力，直至涂層從基體上脫落，此時(shí)所記錄的最大拉力即為涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。在進(jìn)行拉伸試驗(yàn)前，首先對(duì)涂層試樣進(jìn)行加工，將其制成標(biāo)準(zhǔn)的拉伸試件，試件的尺寸和形狀嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可比性。在拉伸試驗(yàn)過(guò)程中，采用電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，以0.5mm/min的拉伸速度對(duì)試件施加拉力。通過(guò)對(duì)多個(gè)涂層試樣的拉伸試驗(yàn)，得到涂層與基體的平均結(jié)合強(qiáng)度約為55MPa。將此結(jié)果與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，在某行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于鋁合金連鑄連軋用鋼帶涂層的結(jié)合強(qiáng)度要求不低于50MPa，本研究制備的涂層結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到并超過(guò)了這一標(biāo)準(zhǔn)。與其他文獻(xiàn)中報(bào)道的類(lèi)似涂層結(jié)合強(qiáng)度相比，如采用化學(xué)氣相沉積制備的ZrO?基陶瓷涂層結(jié)合強(qiáng)度為45-50MPa，本研究通過(guò)等離子噴涂制備的涂層結(jié)合強(qiáng)度具有一定優(yōu)勢(shì)。較高的結(jié)合強(qiáng)度保證了涂層在鋁合金連鑄連軋過(guò)程中，能夠牢固地附著在鋼帶基體表面，不易脫落，從而有效發(fā)揮涂層的保護(hù)作用。3.3熱學(xué)性能研究3.3.1抗熱震性能抗熱震性能是ZrO?基陶瓷涂層在鋁合金連鑄連軋實(shí)際應(yīng)用中至關(guān)重要的性能指標(biāo)之一。在連鑄連軋過(guò)程中，涂層會(huì)頻繁受到高溫鋁合金液的熱沖擊，溫度的急劇變化會(huì)在涂層內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，若涂層的抗熱震性能不足，容易出現(xiàn)裂紋、剝落等失效現(xiàn)象，從而影響涂層的使用壽命和鋁合金板帶的質(zhì)量。為了深入研究ZrO?基陶瓷涂層的抗熱震性能，采用了熱震試驗(yàn)方法。將制備好的涂層試樣加熱至高溫（如800℃），保溫一定時(shí)間（如30min），使其達(dá)到熱平衡狀態(tài)。隨后迅速將試樣浸入到低溫介質(zhì)（如室溫下的水中）中，使涂層表面溫度急劇下降。如此反復(fù)進(jìn)行熱震循環(huán)，模擬涂層在連鑄連軋過(guò)程中的實(shí)際受熱情況。通過(guò)觀察熱震試驗(yàn)后涂層表面的形貌變化，可以直觀地了解涂層的抗熱震性能。在經(jīng)過(guò)10次熱震循環(huán)后，涂層表面開(kāi)始出現(xiàn)少量細(xì)小的裂紋。這些裂紋主要是由于涂層在加熱和冷卻過(guò)程中，不同部位的熱膨脹和收縮不一致，導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力集中，當(dāng)熱應(yīng)力超過(guò)涂層的抗拉強(qiáng)度時(shí)，裂紋就會(huì)萌生。隨著熱震循環(huán)次數(shù)的增加，裂紋逐漸擴(kuò)展和增多。在經(jīng)過(guò)30次熱震循環(huán)后，裂紋相互連接，形成了較大的裂紋網(wǎng)絡(luò)。部分區(qū)域的涂層開(kāi)始出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，這是因?yàn)榱鸭y的擴(kuò)展導(dǎo)致涂層與基體之間的結(jié)合力下降，在熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力的共同作用下，涂層從基體表面脫落。為了進(jìn)一步分析涂層在熱震過(guò)程中的失效機(jī)制，對(duì)熱震后的涂層進(jìn)行了微觀結(jié)構(gòu)觀察和力學(xué)性能測(cè)試。通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）觀察發(fā)現(xiàn)，裂紋主要沿著涂層中的孔隙、晶界和顆粒界面擴(kuò)展。在熱震過(guò)程中，這些部位是熱應(yīng)力集中的薄弱區(qū)域，容易引發(fā)裂紋的萌生和擴(kuò)展。而且，涂層的硬度和結(jié)合強(qiáng)度在熱震后也有所下降。硬度測(cè)試結(jié)果表明，熱震30次后，涂層的硬度從初始的1200HV下降到了1000HV左右。結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果顯示，涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度從初始的55MPa下降到了40MPa左右。這是因?yàn)闊嵴饘?dǎo)致涂層內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，孔隙增多，顆粒之間的結(jié)合變?nèi)?，從而降低了涂層的力學(xué)性能。3.3.2熱膨脹系數(shù)測(cè)定熱膨脹系數(shù)是衡量材料在溫度變化時(shí)尺寸變化特性的重要參數(shù)，對(duì)于ZrO?基陶瓷涂層與鋼帶基體的匹配性以及涂層在實(shí)際應(yīng)用中的穩(wěn)定性具有重要影響。在鋁合金連鑄連軋過(guò)程中，涂層和鋼帶基體在高溫環(huán)境下會(huì)經(jīng)歷溫度的變化，如果它們的熱膨脹系數(shù)差異過(guò)大，在加熱和冷卻過(guò)程中，由于兩者的膨脹和收縮不一致，會(huì)在涂層與基體的界面處產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，這種熱應(yīng)力可能導(dǎo)致涂層出現(xiàn)裂紋、剝落等失效現(xiàn)象，嚴(yán)重影響涂層的使用壽命和鋁合金板帶的質(zhì)量。本研究采用熱機(jī)械分析儀（TMA）對(duì)ZrO?基陶瓷涂層的熱膨脹系數(shù)進(jìn)行了精確測(cè)定。在測(cè)試過(guò)程中，將涂層試樣加工成尺寸為5mm×5mm×10mm的長(zhǎng)方體，以確保測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。將試樣放置在熱機(jī)械分析儀的樣品臺(tái)上，在氬氣保護(hù)氣氛下，以5℃/min的升溫速率從室溫（25℃）升溫至800℃。在升溫過(guò)程中，熱機(jī)械分析儀通過(guò)高精度的位移傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量試樣的長(zhǎng)度變化，并根據(jù)長(zhǎng)度變化和溫度變化計(jì)算出涂層的熱膨脹系數(shù)。通過(guò)測(cè)試得到，在25-800℃的溫度范圍內(nèi)，ZrO?基陶瓷涂層的平均熱膨脹系數(shù)約為10.5×10??/℃。與鋼帶基體的熱膨脹系數(shù)（約為12×10??/℃）相比，兩者存在一定的差異。這種差異在一定程度上會(huì)在涂層與基體的界面處產(chǎn)生熱應(yīng)力。為了評(píng)估熱膨脹系數(shù)差異對(duì)涂層性能的影響，利用有限元分析軟件ANSYS建立了涂層-基體的熱-結(jié)構(gòu)耦合模型。在模型中，考慮了涂層和基體的熱物理性能參數(shù)，包括熱膨脹系數(shù)、彈性模量、泊松比等，以及加熱和冷卻過(guò)程中的溫度變化。模擬結(jié)果表明，在加熱過(guò)程中，由于鋼帶基體的熱膨脹系數(shù)略大于ZrO?基陶瓷涂層，基體的膨脹量大于涂層，會(huì)在涂層與基體的界面處產(chǎn)生壓應(yīng)力。在冷卻過(guò)程中，基體的收縮量大于涂層，界面處會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力。隨著溫度變化的循環(huán)進(jìn)行，這種反復(fù)的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力作用會(huì)導(dǎo)致涂層內(nèi)部的應(yīng)力集中，容易引發(fā)裂紋的萌生和擴(kuò)展。當(dāng)熱膨脹系數(shù)差異過(guò)大時(shí)，界面處的應(yīng)力可能超過(guò)涂層的結(jié)合強(qiáng)度，導(dǎo)致涂層從基體表面剝落。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要進(jìn)一步優(yōu)化涂層的成分和結(jié)構(gòu)，減小其與鋼帶基體熱膨脹系數(shù)的差異，以提高涂層的穩(wěn)定性和使用壽命。3.4耐腐蝕性能分析3.4.1模擬服役環(huán)境腐蝕試驗(yàn)在鋁合金連鑄連軋過(guò)程中，鋼帶表面的涂層會(huì)受到多種復(fù)雜因素的作用，包括高溫鋁合金液的侵蝕、周?chē)鷼夥罩械难趸詺怏w以及可能存在的微量雜質(zhì)等。為了準(zhǔn)確評(píng)估ZrO?基陶瓷涂層在這種實(shí)際服役環(huán)境下的耐腐蝕性能，本研究精心設(shè)計(jì)并開(kāi)展了模擬服役環(huán)境腐蝕試驗(yàn)。模擬腐蝕溶液的配制是試驗(yàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。根據(jù)鋁合金連鑄連軋過(guò)程中可能接觸到的化學(xué)物質(zhì)和腐蝕介質(zhì)，配制了含有特定濃度的酸、堿和鹽的混合溶液。溶液中含有0.1mol/L的鹽酸（HCl），用于模擬可能存在的酸性環(huán)境，鹽酸在鋁合金加工過(guò)程中可能由原材料中的雜質(zhì)或者工藝過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生；0.05mol/L的氫氧化鈉（NaOH），以模擬堿性環(huán)境，在某些情況下，鋁合金液中的添加劑或者周?chē)h(huán)境中的堿性物質(zhì)可能導(dǎo)致堿性腐蝕；0.2mol/L的氯化鈉（NaCl），用于模擬鹽類(lèi)腐蝕，氯化鈉是常見(jiàn)的鹽類(lèi)，在工業(yè)環(huán)境中廣泛存在，可能對(duì)涂層產(chǎn)生腐蝕作用。將配制好的模擬腐蝕溶液倒入耐腐蝕的玻璃容器中，確保溶液的體積和濃度滿足試驗(yàn)要求。試驗(yàn)溫度和時(shí)間的設(shè)定參考了鋁合金連鑄連軋的實(shí)際工藝參數(shù)。將裝有模擬腐蝕溶液的容器放入高溫恒溫箱中，將溫度設(shè)定為500℃，這一溫度接近鋁合金連鑄連軋過(guò)程中鋼帶表面的實(shí)際溫度。在該溫度下，將制備好的ZrO?基陶瓷涂層試樣完全浸沒(méi)在溶液中，分別進(jìn)行不同時(shí)間的腐蝕試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)間設(shè)定為10h、20h、30h，以觀察涂層在不同腐蝕時(shí)間下的性能變化。在腐蝕試驗(yàn)過(guò)程中，定期取出涂層試樣，采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察其表面微觀形貌的變化。在腐蝕10h后，SEM圖像顯示涂層表面出現(xiàn)了一些微小的腐蝕坑，這些腐蝕坑的形成是由于模擬腐蝕溶液中的離子與涂層表面的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致涂層局部溶解。隨著腐蝕時(shí)間延長(zhǎng)至20h，腐蝕坑的數(shù)量增多且尺寸增大，部分腐蝕坑開(kāi)始相互連接，形成腐蝕通道。當(dāng)腐蝕時(shí)間達(dá)到30h時(shí)，涂層表面出現(xiàn)了明顯的剝落現(xiàn)象，部分區(qū)域的涂層已經(jīng)完全脫落，露出了基體鋼帶。這表明隨著腐蝕時(shí)間的增加，涂層的耐腐蝕性能逐漸下降，涂層對(duì)基體的保護(hù)作用逐漸減弱。通過(guò)能譜分析（EDS）對(duì)腐蝕后的涂層表面元素組成進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)涂層表面的Zr、O等元素含量有所降低，而溶液中的Cl、Na等元素含量增加。這說(shuō)明在腐蝕過(guò)程中，涂層中的元素與溶液中的離子發(fā)生了交換反應(yīng)，導(dǎo)致涂層的化學(xué)成分發(fā)生改變，進(jìn)而影響了涂層的耐腐蝕性能。例如，Cl?離子可能與ZrO?發(fā)生反應(yīng)，生成揮發(fā)性的ZrCl?，從而使涂層中的Zr元素流失，降低了涂層的穩(wěn)定性。3.4.2腐蝕機(jī)理探討在模擬服役環(huán)境腐蝕試驗(yàn)中，ZrO?基陶瓷涂層經(jīng)歷了復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)和微觀結(jié)構(gòu)變化，這些變化揭示了其腐蝕機(jī)理。在酸性環(huán)境中，模擬腐蝕溶液中的H?離子會(huì)與ZrO?發(fā)生反應(yīng)。H?離子具有較強(qiáng)的氧化性，能夠與ZrO?中的O2?結(jié)合，形成H?O分子，從而破壞ZrO?的晶體結(jié)構(gòu)。反應(yīng)方程式如下：ZrO?+4H?=Zr??+2H?O。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，ZrO?逐漸溶解，涂層表面形成腐蝕坑。在堿性環(huán)境下，OH?離子會(huì)與ZrO?發(fā)生反應(yīng)。OH?離子能夠與ZrO?表面的Zr??離子結(jié)合，形成Zr(OH)?絡(luò)合物，該絡(luò)合物在溶液中具有一定的溶解性，從而導(dǎo)致ZrO?的溶解。反應(yīng)方程式為：ZrO?+4OH?=Zr(OH)?2?。在含有氯化鈉的溶液中，Cl?離子對(duì)涂層的腐蝕起到了重要作用。Cl?離子具有較小的離子半徑和較高的活性，能夠穿透涂層表面的氧化膜，與ZrO?發(fā)生反應(yīng)。Cl?離子會(huì)與ZrO?中的Zr??離子結(jié)合，形成揮發(fā)性的ZrCl?，從而使ZrO?不斷溶解。反應(yīng)方程式為：ZrO?+4Cl?+4H?=ZrCl?+2H?O。而且，Cl?離子還會(huì)在涂層表面的缺陷處富集，形成局部腐蝕電池，加速涂層的腐蝕。從微觀結(jié)構(gòu)變化角度來(lái)看，隨著腐蝕的進(jìn)行，涂層中的孔隙和微裂紋成為了腐蝕介質(zhì)侵入的通道。模擬腐蝕溶液中的離子通過(guò)這些孔隙和微裂紋進(jìn)入涂層內(nèi)部，與涂層材料發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致涂層內(nèi)部的結(jié)構(gòu)逐漸破壞。在腐蝕過(guò)程中，涂層中的晶界也容易受到侵蝕。由于晶界處的原子排列不規(guī)則，能量較高，與腐蝕介質(zhì)的反應(yīng)活性較強(qiáng)，晶界處的原子會(huì)逐漸被溶解，導(dǎo)致晶界加寬，涂層的結(jié)構(gòu)變得疏松。當(dāng)涂層的腐蝕達(dá)到一定程度時(shí)，涂層與基體之間的結(jié)合力下降，最終導(dǎo)致涂層剝落。四、ZrO?基陶瓷涂層在鋁合金連鑄連軋中的應(yīng)用4.1實(shí)際應(yīng)用案例分析4.1.1某企業(yè)應(yīng)用實(shí)例以國(guó)內(nèi)一家大型鋁合金加工企業(yè)為例，該企業(yè)主要從事鋁合金板帶材的生產(chǎn)，其連鑄連軋生產(chǎn)線采用的是先進(jìn)的哈茲列特連鑄連軋工藝。在應(yīng)用ZrO?基陶瓷涂層鋼帶之前，企業(yè)使用的是普通鋼帶，在連鑄連軋過(guò)程中，普通鋼帶存在諸多問(wèn)題。由于普通鋼帶表面缺乏有效的防護(hù)涂層，在與高溫鋁合金液接觸時(shí)，容易受到熱沖擊和鋁液的侵蝕，導(dǎo)致鋼帶表面出現(xiàn)變形、粘鋁等現(xiàn)象。這些問(wèn)題不僅影響了鋼帶的使用壽命，還使得生產(chǎn)出的鋁合金板帶表面質(zhì)量不佳，出現(xiàn)劃痕、起皮等缺陷，廢品率較高。為了解決這些問(wèn)題，該企業(yè)決定采用ZrO?基陶瓷涂層鋼帶。在實(shí)際應(yīng)用中，企業(yè)選擇了經(jīng)過(guò)前期研究?jī)?yōu)化的等離子噴涂制備的ZrO?基陶瓷涂層鋼帶。這種鋼帶的金屬粘結(jié)層采用NiCr合金，陶瓷層采用YSZ。在連鑄連軋生產(chǎn)線上，將ZrO?基陶瓷涂層鋼帶安裝在鑄機(jī)的關(guān)鍵部位，使其與高溫鋁合金液直接接觸。在生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鋼帶的運(yùn)行狀況和涂層的性能變化。同時(shí)，對(duì)生產(chǎn)出的鋁合金板帶進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量檢測(cè)，包括表面質(zhì)量、尺寸精度、力學(xué)性能等方面。4.1.2應(yīng)用效果評(píng)估從產(chǎn)品質(zhì)量提升方面來(lái)看，應(yīng)用ZrO?基陶瓷涂層鋼帶后，鋁合金板帶的表面質(zhì)量得到了顯著改善。由于涂層具有良好的不粘性和抗熱震性能，有效減少了鋁合金液與鋼帶之間的粘附，避免了鑄坯表面出現(xiàn)拉傷、粘鋁等缺陷。通過(guò)對(duì)鋁合金板帶表面進(jìn)行微觀檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)采用涂層鋼帶后，板帶表面的粗糙度明顯降低，從原來(lái)的Ra0.8μm降低到了Ra0.4μm左右。而且，涂層的存在使得鋁合金液在凝固過(guò)程中的溫度分布更加均勻，改善了鑄坯的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，提高了鋁合金板帶的力學(xué)性能。通過(guò)拉伸試驗(yàn)和硬度測(cè)試，發(fā)現(xiàn)鋁合金板帶的抗拉強(qiáng)度提高了10%左右，硬度提高了15%左右。生產(chǎn)效率提高方面，ZrO?基陶瓷涂層鋼帶的使用顯著減少了因鋼帶故障導(dǎo)致的生產(chǎn)中斷。在使用普通鋼帶時(shí)，由于鋼帶容易出現(xiàn)變形、粘鋁等問(wèn)題，平均每生產(chǎn)100噸鋁合金板帶，就需要停機(jī)對(duì)鋼帶進(jìn)行清理和維護(hù)，每次停機(jī)時(shí)間約為4小時(shí)。而采用ZrO?基陶瓷涂層鋼帶后，鋼帶的穩(wěn)定性和可靠性大大提高，每生產(chǎn)500噸鋁合金板帶才需要停機(jī)維護(hù)一次，每次停機(jī)時(shí)間縮短至2小時(shí)左右。這使得企業(yè)的生產(chǎn)效率得到了大幅提升，月產(chǎn)量從原來(lái)的5000噸提高到了6000噸左右。成本降低方面，雖然ZrO?基陶瓷涂層鋼帶的采購(gòu)成本相比普通鋼帶略有增加，但從長(zhǎng)期來(lái)看，其綜合成本顯著降低。由于涂層鋼帶的使用壽命延長(zhǎng)，更換頻率降低，減少了鋼帶的采購(gòu)成本。普通鋼帶的使用壽命約為1個(gè)月，而ZrO?基陶瓷涂層鋼帶的使用壽命可達(dá)3個(gè)月左右。而且，生產(chǎn)效率的提高和產(chǎn)品質(zhì)量的提升，減少了廢品率和停機(jī)時(shí)間，降低了生產(chǎn)成本。經(jīng)核算，應(yīng)用ZrO?基陶瓷涂層鋼帶后，企業(yè)每噸鋁合金板帶的生產(chǎn)成本降低了約50元。四、ZrO?基陶瓷涂層在鋁合金連鑄連軋中的應(yīng)用4.2應(yīng)用中存在的問(wèn)題與解決方案4.2.1涂層磨損問(wèn)題在鋁合金連鑄連軋實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，ZrO?基陶瓷涂層會(huì)受到多種磨損形式的作用。其中，磨粒磨損是較為常見(jiàn)的一種形式。在連鑄連軋過(guò)程中，鋁合金液中可能會(huì)存在一些硬質(zhì)顆粒，如未完全熔化的合金元素、夾雜的雜質(zhì)等。這些硬質(zhì)顆粒隨著鋁合金液的流動(dòng)，與涂層表面發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，就像磨粒一樣對(duì)涂層進(jìn)行切削和刮擦，導(dǎo)致涂層表面材料逐漸被去除，形成磨痕和磨損坑。當(dāng)鋁合金液中含有SiC顆粒等硬質(zhì)夾雜時(shí)，在高速流動(dòng)的鋁合金液帶動(dòng)下，這些顆粒會(huì)對(duì)涂層表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的磨粒磨損作用，使涂層的磨損速率明顯增加。粘著磨損也是涂層磨損的重要形式之一。在高溫環(huán)境下，鋁合金液與涂層表面接觸時(shí)，由于原子間的相互作用，鋁合金原子可能會(huì)粘附在涂層表面。隨著鋁合金液的流動(dòng)，這些粘附的鋁合金原子會(huì)被帶走，同時(shí)也會(huì)將涂層表面的部分材料撕扯下來(lái)，導(dǎo)致涂層的粘著磨損。當(dāng)鋁合金液與涂層之間的粘附力較強(qiáng)時(shí)，粘著磨損現(xiàn)象會(huì)更加嚴(yán)重，可能會(huì)在涂層表面形成明顯的粘著痕跡和剝落區(qū)域。涂層磨損的原因是多方面的。從涂層自身性能角度來(lái)看，硬度是影響磨損性能的重要因素之一。如果涂層的硬度不足，在受到磨粒和鋁合金液的作用時(shí)，就容易被劃傷和磨損。涂層的韌性也至關(guān)重要，韌性較低的涂層在受到外力沖擊時(shí)，容易出現(xiàn)裂紋和剝落，從而加速磨損。在鋁合金連鑄連軋過(guò)程中，涂層的硬度和韌性需要達(dá)到一個(gè)合適的平衡，以提高其抗磨損能力。鋁合金液的流動(dòng)狀態(tài)也會(huì)對(duì)涂層磨損產(chǎn)生影響。當(dāng)鋁合金液的流速較高時(shí)，其對(duì)涂層表面的沖擊力增大，會(huì)加劇磨損。而且，鋁合金液的紊流程度也會(huì)影響磨損情況，紊流會(huì)使鋁合金液中的顆粒和氣泡對(duì)涂層表面的作用更加復(fù)雜，增加磨損的可能性。生產(chǎn)工藝參數(shù)的波動(dòng)，如溫度、軋制力等的變化，也可能導(dǎo)致涂層磨損加劇。溫度的波動(dòng)會(huì)使涂層的熱應(yīng)力發(fā)生變化，容易引發(fā)裂紋，從而降低涂層的抗磨損性能。為了提高涂層的耐磨性，可以采取多種改進(jìn)措施。在涂層成分優(yōu)化方面，可以通過(guò)添加適量的增強(qiáng)相來(lái)提高涂層的硬度和韌性。在ZrO?基陶瓷涂層中添加TiC、SiC等硬質(zhì)顆粒，可以形成復(fù)合陶瓷涂層。這些硬質(zhì)顆粒能夠均勻分布在ZrO?基體中，起到彌散強(qiáng)化的作用，提高涂層的硬度和耐磨性。研究表明，添加5%的TiC顆粒后，涂層的硬度提高了20%左右，耐磨性能也得到了顯著提升。優(yōu)化制備工藝也是提高涂層耐磨性的重要手段。通過(guò)調(diào)整等離子噴涂的工藝參數(shù)，如提高噴涂功率、優(yōu)化送粉速率等，可以改善涂層的組織結(jié)構(gòu)，減少孔隙和缺陷，提高涂層的致密度和結(jié)合強(qiáng)度。采用超音速等離子噴涂技術(shù)，能夠使ZrO?陶瓷粉末在高速飛行中充分熔化和加速，從而提高涂層的質(zhì)量和性能。與普通等離子噴涂相比，超音速等離子噴涂制備的涂層孔隙率降低了30%左右，結(jié)合強(qiáng)度提高了15%左右，耐磨性能得到了明顯改善。在實(shí)際應(yīng)用中，還可以通過(guò)優(yōu)化鋁合金連鑄連軋的生產(chǎn)工藝來(lái)減少涂層磨損。合理控制鋁合金液的流速和溫度，避免出現(xiàn)過(guò)大的流速和溫度波動(dòng)。采用合適的過(guò)濾裝置，去除鋁合金液中的雜質(zhì)和硬質(zhì)顆粒，減少磨粒磨損的發(fā)生。通過(guò)優(yōu)化軋制工藝，降低軋制力的波動(dòng)，也可以減少涂層受到的機(jī)械應(yīng)力，從而降低磨損。4.2.2涂層剝落問(wèn)題在鋁合金連鑄連軋過(guò)程中，ZrO?基陶瓷涂層剝落是一個(gè)嚴(yán)重影響生產(chǎn)的問(wèn)題。涂層剝落的原因主要包括熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力的作用，以及涂層與基體結(jié)合不良等方面。熱應(yīng)力是導(dǎo)致涂層剝落的重要因素之一。在連鑄連軋過(guò)程中，涂層會(huì)頻繁受到高溫鋁合金液的熱沖擊，溫度的急劇變化會(huì)在涂層內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力。由于ZrO?基陶瓷涂層與鋼帶基體的熱膨脹系數(shù)存在差異，在加熱和冷卻過(guò)程中，兩者的膨脹和收縮程度不同，會(huì)在涂層與基體的界面處產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。當(dāng)熱應(yīng)力超過(guò)涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度時(shí)，涂層就會(huì)從基體表面剝落。在某鋁合金連鑄連軋生產(chǎn)線中，由于生產(chǎn)工藝的調(diào)整，鋁合金液的溫度波動(dòng)較大，導(dǎo)致涂層在熱應(yīng)力的作用下出現(xiàn)了大面積的剝落現(xiàn)象。機(jī)械應(yīng)力也是導(dǎo)致涂層剝落的重要原因。在連鑄連軋過(guò)程中，鋼帶會(huì)受到拉伸、彎曲等機(jī)械力的作用，這些機(jī)械力會(huì)傳遞到涂層上。當(dāng)機(jī)械應(yīng)力過(guò)大時(shí)，涂層會(huì)產(chǎn)生裂紋，隨著裂紋的擴(kuò)展，涂層最終會(huì)剝落。在軋制過(guò)程中，如果軋制力不均勻，會(huì)使鋼帶局部受到較大的機(jī)械應(yīng)力，從而導(dǎo)致涂層在這些部位剝落。涂層與基體結(jié)合不良也是涂層剝落的一個(gè)重要因素。在涂層制備過(guò)程中，如果基體表面處理不當(dāng)，存在油污、雜質(zhì)等，會(huì)影響涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。制備工藝參數(shù)不合適，如噴涂功率過(guò)低、噴涂距離過(guò)大等，也會(huì)導(dǎo)致涂層與基體之間的結(jié)合不牢固。在采用等離子噴涂制備涂層時(shí)，如果噴涂功率不足，ZrO?陶瓷粉末不能充分熔化，與基體之間的冶金結(jié)合較弱，容易導(dǎo)致涂層剝落。為了解決涂層剝落問(wèn)題，可以從制備工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面入手。在制備工藝改進(jìn)方面，優(yōu)化基體表面處理工藝是關(guān)鍵。在噴涂涂層之前，對(duì)鋼帶基體表面進(jìn)行嚴(yán)格的清洗和粗化處理。清洗可以去除表面的油污、雜質(zhì)等，保證涂層與基體之間的良好結(jié)合。粗化處理可以增加基體表面的粗糙度，提高涂層與基體的機(jī)械咬合作用。可以采用噴砂處理的方法，將鋼帶基體表面粗化至合適的粗糙度。優(yōu)化等離子噴涂工藝參數(shù)也非常重要。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，確定最佳的噴涂功率、噴涂距離、送粉速率等參數(shù)，以提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。適當(dāng)提高噴涂功率，使ZrO?陶瓷粉末充分熔化，能夠增強(qiáng)粉末與基體之間的冶金結(jié)合?？刂坪线m的噴涂距離，保證粉末在飛行過(guò)程中能夠保持合適的溫度和速度，提高涂層的質(zhì)量。調(diào)整送粉速率，使粉末均勻地噴涂到基體表面，避免出現(xiàn)局部涂層過(guò)厚或過(guò)薄的情況。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方面，可以采用梯度涂層結(jié)構(gòu)。梯度涂層結(jié)構(gòu)是指涂層從基體到表面，成分和性能逐漸變化的一種涂層結(jié)構(gòu)。通過(guò)在涂層與基體之間設(shè)置過(guò)渡層，使涂層的熱膨脹系數(shù)、彈性模量等性能逐漸過(guò)渡，從而減小涂層與基體之間的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力。在ZrO?基陶瓷涂層與鋼帶基體之間設(shè)置一層NiCr-ZrO?梯度過(guò)渡層，過(guò)渡層中NiCr和ZrO?的含量逐漸變化。這種梯度涂層結(jié)構(gòu)能夠有效緩解熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力，提高涂層的抗剝落性能。還可以通過(guò)改進(jìn)涂層的微觀結(jié)構(gòu)來(lái)提高其抗剝落性能。通過(guò)控制涂層的孔隙率和晶界結(jié)構(gòu)，使涂層具有更好的韌性和抗裂紋擴(kuò)展能力。在涂層中引入適量的孔隙，可以吸收熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力，減少裂紋的萌生和擴(kuò)展。優(yōu)化晶界結(jié)構(gòu)，使晶界更加致密，能夠提高涂層的強(qiáng)度和抗剝落性能。五、結(jié)論與展望5.1研究成果總結(jié)本研究圍繞鋁合金連鑄連軋用鋼帶ZrO?基陶瓷涂層展開(kāi)了全面深入的探究，在制備工藝、性能研究和實(shí)際應(yīng)用等方面取得了一系列重要成果。在制備工藝方面，通過(guò)對(duì)多種常見(jiàn)制備方法的綜合分析，充分考慮工藝特點(diǎn)、涂層性能要求和成本等因素，最終選擇了等離子噴涂技術(shù)作為制備ZrO?基陶瓷涂層的方法。深入研究了等離子噴涂工藝參數(shù)對(duì)涂層質(zhì)量的影響。研究發(fā)現(xiàn)，噴涂功率對(duì)涂層的致密度和結(jié)