铝合金连铸连轧用钢带ZrO2基陶瓷涂层的制备与性能研究

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Hazelett连铸连轧工艺具有节能降耗、生效效率高、流程短等优点,Hazelett连铸连轧生产设备的核心部位为铸机,铸机中由上下两条钢带和金属挡块组成的动模在生产过程中对铝合金液的冷却以及铝合金板带质量起着非常重要的作用,钢带表面的涂层不仅能够有效防止钢带受热不均匀而引起的扭曲变形,又能够为铝合金液提供一不湿表面。本文针对Hazelett钢带涂层使用寿命短、同时需要依赖国外进口,成本较高等问题展开研究,采用国内设备制备出性能优异的钢带涂层,替代国外进口钢带,从而降低生产成本,提高生产效率。本文通过对Hazelett钢带基体及涂层的研究,确定钢带制备工艺为等离子喷涂技术,涂层的陶瓷涂层成分为氧化镁部分稳定氧化锆(MSZ),金属粘结层成分为镍包铝(Ni/Al),同时对Hazelett涂层的粗糙度、抗热震性能、抗氧化性能、结合强度、铝合金液在涂层表面的铺展性等进行了性能表征。首先采用等离子喷涂技术,相同的陶瓷层(MSZ)和金属粘结层(Ni/Al)进行了涂层制备实验,并采用描电镜、X射线衍射等手段对涂层的组织形貌及成分进行了分析,同时对比分析了MSZ涂层与Hazelett涂层的组织形貌和性能。为了进一步提高涂层性能,采用氧化钇部分稳定氧化锆(YSZ)作为陶瓷层,金属粘结层不变,利用等离子喷涂技术进行了涂层制备实验,同样与Hazelett涂层的组织形貌和性能进行了对比分析,本文最后利用ANSYS软件计算了YSZ涂层不同陶瓷层厚度对热应力的影响。得出的主要结论如下:(1)MSZ涂层和YSZ涂层与Hazelett涂层具有相似的组织形貌,但是涂层表面较Hazelett涂层具有较多的部分熔化区域,部分熔化区域增加了涂层中的孔隙,一定的孔隙可以吸收热震过程中产生的能量,降低应力集中,减缓裂纹萌生和扩展,提高了涂层的抗热震性能。(2)MSZ和YSZ涂层的粗糙度均高于Hazelett涂层,一定的粗糙度可以改善涂层与铝合金液之间的传热条件,对铝合金板带质量具有重要的影响。(3)MSZ涂层与YSZ涂层的横截面与Hazelett涂层相比,致密性较高,一方面可以有效阻挡外来氧化性气氛对基体的氧化,另一方面可以提高涂层与基体的结合强度。(4)MSZ涂层的抗氧化性能明显优于Hazelett涂层的抗氧化性能;涂层失效前的热震次数由Hazelett涂层的30次提高到58次,提高了93%以上;涂层的结合强度由Hazelett涂层的20.3MPa提高到23.9MPa,提高了17.8%。(5)YSZ涂层的抗氧化性能优于Hazelett涂层的抗氧化性能;涂层失效前的热震次数由Hazelett涂层的30次提高到59次,大约提高了97%;涂层的结合强度由Hazelett涂层的20.3MPa提高到27.7MPa,提高了36.5%。(6)在相同基体和金属粘结层厚度的条件下,在陶瓷层厚度由30um增加到90um过程中,残余热应力中的横向应力、轴向应力以及剪切应力都逐渐增加,但是对横向应力和轴向应力影响较大,对剪切应力影响较小。(7)在相同基体和金属粘结层厚度的条件下,陶瓷层厚度在由50um增加到90um的过程中,对工作应力的影响与残余热应力具有相同的规律,不同之处在于涂层中的热应力由压应力向拉应力发生转变,而且相同陶瓷层厚度下,工作应力远远大于残余热应力。(8)铝合金液在涂层上的铺展性与涂层表面粗糙度存在一定的关系,涂层表面粗糙度越大,铝液在涂层上的铺展性越差。1235铝合金在Hazelett涂层上的铺展性最好,在YSZ涂层上较MSZ涂层的铺展性稍差。结果表明:相同条件下,连续铸造过程完成以后,铝板带更易于MSZ和YSZ涂层分离,发生粘铝的几率更低。
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