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二氧化钛基陶瓷加热涂层的研究

【摘要】: 本文从TiO_2基陶瓷涂层成分设计和喷涂工艺参数优化两方面出发,研究了喷涂过程中工艺参数对涂层显微结构和电加热性能的影响;在优化工艺参数条件下,制备了Al_2O_3含量不同的TiO_2基陶瓷加热涂层,建立了Al_2O_3含量与涂层显微结构和电加热性能的影响关系,并研究了TiO_2基涂层的长时间电加热性能及其导电机理。探讨了不同热处理温度下TiO_2基陶瓷涂层显微结构和电性能的变化规律,初步分析了涂层的失效机制。主要研究结果如下: 采用大气等离子喷涂方法制备TiO_2基陶瓷加热涂层,陶瓷涂层孔隙率随着喷涂电流的增大而减小。H_2的通入使TiO_2缺氧产生Magneli相,随H_2流量的加大会出现Ti_2O_3相,使涂层电阻率下降。涂层的电阻率随喷涂电流和H_2流量的增大而减小。喷涂距离会影响涂层的结构,进而影响涂层的通电加热性能。涂层的最佳喷涂工艺参数为:喷涂电流550A,氢气流量6L/min,喷涂距离100mm。 制备的TiO_2基陶瓷涂层的加热温度随Al_2O_3含量的增加而提高,当Al_2O_3含量达到40%时涂层的最高加热温度为490℃,所制备的涂层除了TA5涂层外,都可以稳定加热到330℃。 缺氧相Magneli相的存在是涂层导电的主要因素,TiO_2基涂层在热处理时,Magneli相被氧化,使得涂层电阻率增加,在650℃时涂层中的锐钛矿型完全转变成金红石型TiO_2,当750℃时TiO_2基涂层出现脆化而失效。因此,TiO_2基陶瓷涂层应用的极限温度应该在550℃相变转变温度以下。 经过长时间通电试验表明,TiO_2基涂层可在400℃高温加热46小时,可在190℃低温加热运行170小时,其两项指标均优于TiO_2涂层。Al_2O_3的加入对TiO_2基陶瓷加热涂层耐高温性能起到了保护作用,提高了加热涂层的最高加热温度。 对TiO_2基陶瓷加热涂层进行失效分析,其失效原因主要有:电流过大使涂层产生电弧裂纹;局部热点或热斑使得涂层短路而烧损;长时间热循环使涂层发生相变而失效。

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