1、（一）立項依據與研究內容（4000-8000字）： 1. 項目的立項依據（研究意義、國內外研究現狀及發展動態分析，需結合科學研究發展趨勢來論述科學意義；或結合國民經濟和社會發展中迫切需要解決的關鍵科技問題來論述其應用前景。附主要參考文獻目錄）；71的部分被海水所覆蓋，有效面積是陸地的510倍，航海業和海洋產業已成為今世界經濟發展不可或缺的重要支柱。全球目前約有9萬艘注冊商船，約6.05億dwt(載重噸)的運力，而小船舶更是超過了l000萬艘，國際貿易中90%以上的運力要靠海洋運輸1。我國是海洋大國，擁有18000多公里的海岸線，沿海島6500多個，管轄海域300多萬平方公里2。近年來，國家和地

2、方非常重視海洋工程的發展，在十二五發展規劃中，把海洋工程裝備制造業作為優先和重點發展產業，發展海洋工程裝備業，作為培育新的經濟增長點。海洋環境是一種自然的苛刻腐蝕環境，海洋環境中的金屬構件如艦艇、跨海大橋、海上石油平臺、遠洋船舶、核電站的海水冷卻系統等均受到嚴重的腐蝕3。據估計4，我國每年因海洋腐蝕而造成的經濟損失在萬億元以上，并逐年呈大幅度遞增。長期以來，海洋構件的腐蝕防護一直受到造船業和防護專業的高度重視，海洋腐蝕與防護已成為全球關注的重點領域之一。目前應用于海洋環境的金屬結構材料主要為鋼鐵、鋁合金等，這些材料的機械及力學性能良好，廣泛應用于船舶、鉆井等的建造，但是這些材料的防腐性能較差，

3、通常需要作特定的表面處理，如電化學陰極保護、陽極氧化、涂料涂覆等。鈦及鈦合金是20世紀50年代發展起來的一種重要的結構金屬，具有比強度高、耐蝕性好等優異性能。鈦合金在潮濕的大氣和海水介質中工作，其抗蝕性遠優于不銹鋼。據文獻5報道，鈦及鈦合金制品在海洋性氣候大氣下暴露十年，仍有金屬光澤，沒有銹蝕和失重。這是因為鈦的耐蝕性是依靠表面形成的致密鈍化膜來維持的。同時鈦對點蝕、酸蝕、應力腐蝕的抵抗力特別強，對堿、氯化物、氯的有機物品、硝酸、硫酸等有優良的抗腐蝕能力，廣泛應用于航空、石化、海洋、醫用等各個領域6。鈦金屬雖然具有眾多優異的性能，然而長期以來，鈦的生產成本一直較高，除在不惜成本的軍用中創造奇跡

4、外，在更為廣泛的民用市場中難顯其身手。鈦的提取、熔煉、加工十分困難。鈦錠的生產成本約為同重量鋼錠的30倍、鋁錠的6倍，其中從礦石到鎂還原制取海綿鈦的成本約為制取同重量鐵的20倍，此外鈦基合金存在加工成型和焊接工藝復雜等問題，不太適合于作為大的結構件使用7。 材料表面工程技術通過先進的表面處理技術，以最經濟、有效的方法改善材料表面性質，賦予材料表面新的復合性能和新型功能，實現材質的新的工程應用8。采用先進的表面工程技術將鈦金屬涂覆于其他材質，以實現防腐、抗氧化、耐酸堿以及生物應用等功能，是充分發揮鈦金屬優勢，實現鈦材廣泛應用的最有效手段。在普通鋼材表面涂覆鈦涂層，可大幅度增強基材的耐腐蝕性能，在

5、海洋工程裝備領域具有廣泛應用價值和廣闊應用前景。因而在普通材料表面制備鈦或其化合物的涂層，使之成為材料保護方面的特種用材，已成為目前表面工程科學中重要的研究內容。鈦是一種非常活潑的金屬，在水溶液中其還原電位負于析氫電位，無法通過電沉積方法從水溶液中制備鍍層。目前鈦鍍層的電沉積只能在熔融鹽中進行，而熔鹽電鍍的應用非常受限制，通過濕法技術實現鈦涂層的規模化化應用顯然不夠現實9。在磁控濺射、熱噴涂等干法技術中，可應用于鈦涂層快速高效的制備技術也十分有限。由于鈦的活潑性，在較高溫度（300以上）即與氧、氮或氫等發生反應，因此沉積鈦涂層需要在真空或保護性氣氛下進行。典型的鈦涂層沉積工藝包括（PVD，Ph

6、ysical Vapor Deposition）、低壓等離子噴涂（LPPS, Low Pressure Plasma Spray）等10-12，這些涂層技術的工藝特點決定了其存在生產效率低、成本較高、工件尺寸受到限制等缺陷。冷噴涂技術是近年來發展較為迅速的一種先進熱噴涂工藝，是低熔點易氧化金屬的首選沉積工藝。冷噴涂以預熱壓縮氣體（如He、N2）為載氣，通過Laval嘴，將粉末顆粒加速到較高速度（3001200m/s）, 以固相形式撞擊到基體表面，粉末粒子發生較大塑性變形后沉積于基體表面，最終形成涂層13。與傳統的熱噴涂工藝相比，粉末顆粒沒有熔融，能夠有效減少甚至避免粉末發生氧化，適用于容易氧化

7、或對熱敏感涂層材料的沉積。形成冷噴涂層的基本要素為，當某種材料粉末粒子的速度超過一定的臨界速度后，與基材撞擊時粒子發生塑性變形而充分鋪展開才能形成結合性能優良的冷噴涂層14。冷噴涂的原理決定了該工藝非常適合于沉積塑性良好的面心立方金屬涂層，而對于塑性差的體心立方和六方系金屬涂層均較難獲得性能優良的涂層。鈦在低于882時呈相，該相為體心立方結構；高于882則形成六方鈦。這兩種相結構均塑性較差，較難鋪展形成性能優良的涂層。同時鈦粉表面較易氧化而降低塑性，因此鈦涂層的冷噴涂臨界速度往往較大（700m/s）15。冷噴涂技術制備易氧化的鈦金屬涂層雖然具有很大優勢，然而往往需采用較昂貴的氦氣作為推進氣體對

8、粉末粒子加速，存在生產成本高的問題15。提高冷噴涂的預熱溫度可提高粉末粒子的溫度，從而增強其塑性，促進粉末粒子鋪展開，有助于獲得性能優良的鈦涂層17,18。然而，隨著冷噴涂技術的發展，氣體的預熱溫度提升非常受限，這主要受目前最新的冷噴涂預熱溫度也僅達到1000（較常用為800）19。在控制鈦粉末氧化的前提下，進一步提高焰流溫度可提高鈦涂層的性能。超音速火焰噴涂技術（HVAF/HVOF）是快速高效沉積致密涂層的有效方法。它以高壓燃氣（丙烷、丙烯、煤油、氫氣等）與高壓助燃氣（空氣或氧氣）在燃燒室混合燃燒后，經過特殊的噴嘴后形成高溫高速焰流，將注入其中的粉末材料熔化或軟化后噴射至基體后形成涂層20。

9、超音速火焰噴涂采用特殊設計的燃燒室和噴嘴，驅動大流量的燃料經高壓氧氣助燃后，可獲得較高速度的燃燒焰流。通常超音速火焰噴涂的焰流溫度為15003000，速度大于2000m/s。超音速火焰噴涂涂層的結構致密，具有結合強度高等特征。同時超音速火焰噴涂方法具有沉積速度快、生產效率高、在大氣環境下操作方便等優點。然而鈦涂層無法采用常規的超音速火焰噴涂技術進行噴涂的，因為其焰流溫度較高，鈦粉末在大氣環境沉積過程中將發生嚴重氧化，涂層含氧量高，致密性差，無法應用。為充分挖掘超音速火焰噴涂的技術優勢，實現對低熔點、易氧化金屬及其合金的熱噴涂，獲得氧含量更低、致密度和結合強度更高的金屬涂層，超音速火焰噴涂技術朝

10、著實現更低的焰流溫度和更高的焰流速度方向發展，即低溫高速超音速火焰噴涂技術（LH-HVOF）成為是目前熱噴涂領域的研究熱點。日本國家材料科學研究所（NIMS）的Kuroda教授率先在該領域開展研究工作。他們對傳統超音速火焰噴槍進行結構改造，在燃燒室和送粉口之間增加了一個氣體冷卻室，通過往冷卻室中注入大流量的惰性冷卻氣體（N2、Ar），實現對焰流溫度的降低，有助于防止噴涂過程中活潑金屬氧化，圖1為Kuroda教授開發的低溫超音速火焰噴涂技術的結構示意圖21。由于其焰流溫度介于常規定義的冷噴涂和超音速火焰熱噴涂的溫度之間，他們將之稱為“溫噴涂”。圖1 “溫噴涂”噴槍示意圖“溫噴涂”被認為填補了超音

11、速火焰噴涂和冷噴涂之間的工藝間隙，在沉積高性能鈦涂層方面具有獨特的優勢。Kuroda教授所領導的課題組在“溫噴涂”鈦涂層的沉積機理、噴涂工藝、鈦涂層的性能等方面開展了大量工作21-30。通過改變“溫噴涂”過程中的注入氮氣流量，研究了沉積涂層的微觀組織和性能。結果表明，在較低氮氣流量下，高速粉末粒子發生了明顯的扁平化效應，但扁平粒子的邊界同時存在較明顯氧化；隨著氮氣流量的提高，焰流中粒子溫度也隨之降低，粒子的扁平化效應有所下降，但粒子氧化明顯降低。鈦粉粒子在高速撞擊基體表面后鋪展，但沒有形成放射狀的噴濺形貌（熔滴）特征，證明噴涂過程中粉末顆粒是以固相形式撞擊到基材表面的。H.Tabbara等31

12、對“溫噴涂”中鈦粉末的溫度和速度進行了模擬，研究了冷卻氣體對“溫噴涂”的空氣和粉末的動力學的影響，發現當氮氣冷卻劑加入量為0.02kg/s時，可使粉末粒子的飛行速度至少提高200m/s以上；但粒徑小于5m的鈦粉在沉積過程中會發生偏離焰流中心，影響涂層質量。基于對以上“溫噴涂”技術設計理念的共識，為實現鈦涂層的快速高效制備技術，申請者團隊首次在國內開始改進型超音速火焰噴涂研究工作，我們稱之為“低溫超音速火焰噴涂（Low temperature High Velocity Oxygen Fuel: LT-HVOF）”。與日本Kuroda教授的技術途徑完全不同，首先我們在傳統的氧氣助燃超音速火焰噴涂

13、系統（HVOF）基礎之上，對燃燒室喉嘴尺寸進行了改進設計，大幅度提高了傳統燃燒室的壓力，獲得了更高速度的焰流，同時大大降低了傳統超音速火焰噴涂燃料的消耗；此外，通過特殊的結構設計，可實現往燃燒室內注入冷卻介質（水、N2等），有效降低火焰溫度，通過對輸入燃料及冷卻介質調配優化后獲得了中性甚至還原性的焰流，以防止鈦粉顆粒的氧化，圖2為該噴槍系統的結構示意圖。以上開發的超音速火焰噴涂系統與傳統工藝相比，具有焰流速度更高、溫度更低，而火焰特征呈中性或還原性等特征，可快速高效的沉積低熔點易氧化的金屬涂層體系，獲得的涂層體系含氧量低、結構致密，結合性能優良。目前該技術已申報國家專利，并已獲授權（CN201

14、620186U）32。Reduced throadimeerO2 or O2+N2Water圖2 廣州有色金屬研究院開發的新型低溫高速超音速火焰噴涂噴槍示意圖以及所沉積的鈦涂層剖面形貌實踐經驗表明，采用特殊設計的噴槍結構實現了對鈦粉粒子的飛行速度與溫度的控制，進而對涂層的顯微結構與氧化造成了重要影響。燃燒室的壓力和粉末粒子的速度有直接關系33。研究過程中發現，采用改進后的超音速火焰噴槍，將燃燒室壓力提高為普通狀況的2倍后，粉末粒子速度可以提高到1000m/s，高于Kuroda教授開發“溫噴涂”鈦粉末的粒子速度（680m/s），從而可以獲得涂層的致密性可提高到95%以上，涂層氧含量在0.6wt%

15、以下，該涂層具有較大經濟實用價值34-36。鈦涂層的顯微結構和性能取決于焰流中的粒子溫度和速度，粒子的溫度和速度大小、分布等又強烈依賴所設計噴槍的焰流流體特征。在這種情況下，可合理地利用流體力學理論和數值模擬，對工作氣體和粒子在運動過程中的狀態參數(如溫度、速度、壓力、質量流速等)進行模擬計算，研究噴槍系統的改變對這些狀態參數的影響規律，通過比較實測結果和預測結果，不斷改進和修正數學模型，從而為噴槍設計及噴涂參數優化提供理論依據。 近年來，研究者在“溫噴涂”鈦涂層的焰流流體和粒子動力學模擬、涂層沉積機理和腐蝕等方面開展了大量工作，但是這些研究僅針對某一具體的噴槍結構沉積鈦涂層進行了較為系統的研

16、究。噴槍結構決定了焰流和其中粒子的動力學行為，迫切需要對低溫超音速火焰噴涂噴槍中的焰流和其中粒子的動力學行為進行研究，分析清楚鈦涂層的沉積機理，對沉積鈦涂層的防護性能進行評價。基于前期對低溫高速焰流的超音速火焰噴涂系統的成功開發，本項目將借助流體力學、粒子氧化動力學以及數值分析方法等，系統地模擬特定的超音速火焰噴槍結構中超音速焰流的溫度場與速度場分布特征，闡明鈦粉顆粒與焰流場的作用規律，從微觀、介觀和宏觀三個層面探討鈦涂層的沉積過程，為增強涂層結合強度，減小涂層的孔隙率與氧含量，提高粒子的沉積效率等方面提供先期的理論預測與科學依據。此外，對鈦涂層的微結構與防護性能進行系統研究，闡明影響涂層結構

17、與性能的關鍵因素及其作用規律，積累基礎性實驗數據，對加速鈦涂層在海洋工業的大面積應用，促進低溫超音速火焰噴涂技術的發展等方面均具有重要的理論及現實意義。參考文獻：1 涂料技術與文摘編輯部. 我國海洋涂料市場現狀J，涂料技術與文摘，2009, 30（3）： 4-15.2 羅天昊，劉彥華. 全球海洋經濟三大模式J，小康財富，2011，3.3 侯保榮. 海洋鋼結構浪花飛濺區腐蝕控制技術M，北京：科學出版社，2011.4 孟琳達. 海洋腐蝕造成巨大損失 一年爛掉近萬億元N，半島都市報，2010-11-245 梁彩鳳材料在青島地區的大氣腐蝕及防護對策J腐蝕與防護，1998，19(2)：59606 Lut

18、jering G., Williams J. C. TitaniumM. Berlin: Springer Berlin Heidelberg, 2007.7 楊遇春. 舉足輕重的再生鈦J，資源再生，2003, 11: 19.8 戴達煌，周克崧，袁鎮海.現代材料表面技術科學M.北京：冶金工業出版社,2004.9 Lepinary J., Bouteillon J., Traore S., et al. Electroplating silicon and titanium in molten fluoride mediaJ, Journal of Applied Electrochemistr

19、y, 1987, 17(2): 294-302.10 Cerus J., Idrissi H., Mazille H., et al. Corrosion behaviour of Al/Ti coating elaborated by cathodic arc PVD process onto mild steel substrateJ, Thin film technology, 1999, 346(1-2):150-15411 Erlin Zhang, LiPing Xu, Ke Yang, Formation by ion plating of Ti-coating on pure M

20、g for biomedical applicationsJ, Scripta Materialia, 2005, 53(5): 523-527.12 Heimann R. B., Vu T. A., Low-pressure plasma-sprayed (LPPS) bioceramic coatings with improved adhesion strength and resorption resistanceJ, Journal of Thermal Spray Technology, 1997, 6(2): 145-14913 A. Papyrin, V. Kosarev, S

21、. Klinkov, et al. Cold Spray TechnologyM, Elsevier Limited., Oxford, 2007.14 Assadi, F. Ga¨rtner, T. Stoltenhoff, et al. Bonding Mechanism in Cold Gas Spraying, Acta Materials, 2003, 51, 4379-439415 T. Stoltenhoff, H. Kreye, and H.J. Richter, An Analysis of the Cold Spray Process and Its Coatin

22、gsJ, Journal of Thermal Spray Technology, 2002, 11(4): 542-550.16 S. Gulizia, A. Trentin, S. Vezzù, S. Rech, P.King, M. Jahedi , and M. Guagliano. Microstructure and Mechanical Properties of Cold Spray Titanium CoatingsC, International Thermal Spray Conference，(Singapore),2010.17 W. Wong,A. Rez

23、aeian, S. Yue. Effects of Gas Temperature, Gas Pressure, and Particle Characteristics on Cold Sprayed Pure Titanium CoatingsC, Thermal Spray 2009: Proceedings of the International Thermal Spray Conference，2009.18 W. Wong, E. Irissou, J.-G. Legoux, and S. Yue. Influence of helium and nitrogen gases o

24、n the properties of cold gas dynamic sprayed pure titanium coatingsC, International Thermal Spray Conference，(Singapore),2010.19 http:/plasma.co.jp/en/products/coldspray.html, 2012-03-1020 鄧春明. 300M低合金鋼基HVAF WC涂層的研究D. 廣東工業大學博士論文, 2006.21 J. Kawakita, S. Kuroda, S. Krebs, et al. In situ Densification

25、 of Ti Coatings by the Warm Spray (Two-Stage HVOF) ProcessJ, Material Transaction, 2006, 47(7): 1631-163722 S. Kuroda, M. Watanabe, K. Kim, et al. Current status and future prospects of warm spray technologyJ, Journal of Thermal Spray technology, 2011, 20(4): 653-67623 J. Kawakita, S. Kuroda, T. Fuk

26、ushima, et al. Dense Titanium Coatings by Modified HVOF SprayingJ, Surface and Coating Technology, 2006, 201(3-4): 1250-1255 24 S. Kuroda, J. Kawakita, M. Watanabe, et al. Warm SprayingA Novel Coating Process Based on High-Velocity Impact of Solid ParticlesJ, Science and Technology of Advanced Mater

27、ials, 2008, 9(3): 1-1725 K. Kim, M. Watanabe, J. Kawakita, et al. Grain Refinement in a Single Titanium Powder Particle Impacted at High VelocityJ, Scripta Materials, 2008, 59(7): 768-77126 K. Kim, M. Watanabe, S. Kuroda. Jetting-Out Phenomenon Associated With Bonding of Warm-Sprayed Titanium Partic

28、les onto Steel SubstrateJ, Journal of Thermal Spray Technology, 2009, 18(4): 490-49927 K. Kim, M. Watanabe, J. Kawakita, et al. Effects of Temperature of In-flight Particles on Bonding and Microstructure in Warm-Sprayed Titanium DepositsJ, Journal of Thermal Spray Technology, 2009, 18(3): 392-40028

29、K. Kim, S. Kuroda, M. Watanabe. Microstructural Development and Deposition Behavior of Titanium Powder Particles in Warm Spraying Process: From Single Splat to CoatingJ, Journal of Thermal Spray Technology, 2010, 19(6): 1244-125429 K. Kim, S. Kuroda, Amorphous Oxide Film Formed by Dynamic Oxidation

30、During Kinetic Spraying of Titanium at High Temperature and Its Role in Subsequent Coating FormationJ, Scripta Materials, 2010, 63(2): 215-21830 J. Kawakita, H. Katanoda, M. Watanabe, K. Yokoyama, and S. Kuroda, Warm Spraying: An Improved Spray Process to Deposit Novel CoatingsJ, Surface and Coating

31、 Technology, 2008, 202(18), p 4369-437331 H. Tabbara, S. Gu, D. G. McCartney. Computational modelling of titanium particles in warm sprayJ, Computers and Fluids, 2011, 44: 358-368.32 劉敏，周克崧，鄧春明，王安金，鄧暢光，宋進兵. 一種新型低溫高速超音速火焰噴涂裝置P，中華人民共和國，CN201620186U，2010-10-1333 B. Sun, H. Fukanuma. Study on stainless

32、316L coating sprayed by high pressure HVOFC, Proceeding of International Thermal Spray conference 2011. 34 陳健強，劉敏，鄧春明，鄧暢光. 噴距對低溫高速火焰噴涂鈦涂層的影響J，稀有金屬，2011，35（6）：835-84035 C.M. Deng, C.G. Deng, M. Liu, K.S. Zhou, Corrosion of Ti coating prepared by modified HVOF processC, Proceeding of International The

33、rmal Spray conference 2010.36 M. Liu, C. M. Deng, G. C. Deng, J.Q. Chen, K. S. Zhou, Densification of low temperature HVOF Ti coatingC, Proceeding of International Thermal Spray conference 2011.2. 項目的研究內容、研究目標,以及擬解決的關鍵科學問題（此部分為重點闡述內容）；研究內容：1） 低溫超音速火焰噴涂焰流溫度和速度場模擬和噴槍結構設計建立流體力學方程，利用計算流體力學Fluent等軟件，對低溫超

34、音速火焰噴涂的焰流溫度和速度場進行模擬，研究燃燒室喉嘴結構（圓形和橢圓形）和尺寸（4.0、5.0、6.0和7.8mm）、噴嘴結構（圓形和橢圓形）和尺寸（8.0、9.0、10.0和11.0mm）、焰流冷卻介質（氮氣和水）和流量等對低溫超音速火焰噴涂的焰流溫度和速度場的影響，對低溫超音速火焰噴涂噴槍結構進行設計和制造，獲得具有溫度低、速度高焰流特性的穩定焰流。2）粒子溫度、速度表征和氧化動力學研究采用粒子溫度和速度測試系統對低溫超音速火焰中鈦粉末粒子的溫度和速度特征進行表征；獲得燃燒室壓力與粒子速度關系的規律；收集不同工藝噴距下焰流中鈦粉末粒子，研究焰流中鈦粉末的氧化動力學規律和沉積過程中的氧化行

35、為，獲得鈦粉末粒子沉積形成鈦涂層中氧含量的主要控制因素；3）鈦涂層的沉積機理研究高速鈦粉末粒子與基體表面相互撞擊的過程模擬，激冷粒子和界面顯微結構分析，建立粒子堆垛形成涂層的物理模型，獲得鈦涂層的粒子溫度和速度規律，最后獲得性能優良的鈦涂層。4）鈦涂層的防護性能研究研究不同噴槍結構和工藝條件下涂層的顯微結構、相組成、電化學和人工海水浸泡腐蝕等性能；建立工藝參數-粒子溫度、速度特征和氧化動力學規律-涂層結構-涂層性能之間的關系，為大氣環境下低溫超音速火焰噴涂沉積高性能金屬涂層提供理論支撐。研究目標：（1） 通過對低溫超音速火焰噴涂的焰流溫度和速度場模擬，開發新型低溫超音速火焰噴涂噴槍，獲得粒子溫

36、度、速度規律和氧化動力學行為，建立鈦涂層沉積的物理模型；（2）在大氣環境下沉積性能優良的鈦涂層，建立噴槍結構-粒子溫度、速度特征和氧化行為-涂層結構-涂層性能之間的關系，為低溫超音速火焰噴涂沉積致密、低氧的鈦涂層提供理論支撐。擬解決的關鍵科學問題：（1）建立低溫高速焰流模型和焰流溫度、速度場的模擬； 粒子在焰流中飛行速度和溫度決定了沉積鈦涂層的性能，而粒子溫度和速度取決于具有低溫高速焰流特性的超音速火焰噴槍結構設計。因此需要對低溫高速焰流場進行模擬，研究喉嘴結構和尺寸、噴嘴結構和尺寸、冷卻劑類型和流量等對低溫高速焰流的影響。以往的超音速火焰噴涂焰流模擬都是采用居于各向同性渦粘性基礎上而假設的k

37、-模型，對于低溫超音速火焰噴涂，需要采用更精細的湍流模型對焰流進行模擬。同時，借助粒子溫度和速度測量系統和所沉積鈦涂層的性能表征，驗證低溫高速焰流場的模擬結果，最終成功開發新型低溫超音速火焰噴涂噴槍，獲得性能優良的鈦涂層（2）鈦粉末粒子形成涂層的氧化研究。 鈦粉末粒子在高溫下具有非常強的活性，容易和環境中的氧氣結合而形成鈦的氧化物。氧化物一方面降低涂層的致密度，同時也降低其韌性，因此控制鈦的氧化是非常關鍵的。鈦粉末沉積形成涂層分為兩個階段，一個階段是粉末在低溫高速焰流飛行過程中與環境中的氧氣發生結合，而且隨著噴涂參數和噴距的變化，氧化物含量也有較大改變。另一個階段是粉末粒子撞擊基體表面，粒子動

38、能瞬間轉化為熱能，同時焰流也對沉積形成鈦涂層表面加熱作用，沉積鈦涂層瞬間溫度高，從而導致涂層的氧含量高。因此需要分析清楚鈦粉末粒子形成涂層的氧化行為，才能抓住鈦涂層氧化的主要矛盾，制定相應措施，最終獲得氧含量低的涂層。3. 擬采取的研究方案及可行性分析。（包括研究方法、技術路線、實驗手段、關鍵技術等說明）；擬采取的研究方法：（1）建立流體力學方程，采用商用計算流體力學Fluent等軟件，采用高級的雷諾-應力湍流模型（RSM）對焰流流體場進行模擬，計算不同燃燒室喉嘴結構和尺寸、噴嘴結構和尺寸、冷卻劑類型和流量下低溫高速焰流的溫度和速度分布，獲得具有低溫高速焰流特性的噴槍結構基本參數。（2） 根據

39、模擬結果，在普通超音速火焰噴槍的基礎上，對噴槍結構進行設計，開發新型低溫超音速火焰噴涂噴槍；采用粒子溫度和速度測試系統對焰流中的粒子溫度和速度進行表征，獲得燃燒室壓力與粒子速度關系的規律；驗證低溫高速焰流流體場模擬結果。（3） 采用粒子收集系統收集焰流中不同噴距下的鈦粒子，研究鈦粒子和形成涂層過程的氧化動力學規律，分析鈦粉末形成鈦涂層氧化的主要控制因素。（4）高速鈦粒子在基體表面的撞擊過程模擬，通過激冷鈦粉末粒子的顯微結構分析，研究鈦涂層的堆垛形成機理，獲得性能優良的鈦涂層。鈦涂層的相組成、顯微結構、界面結構、激冷液滴和涂層表面硬度等采用X-ray、XPS、SEM/EDX、TEM、AES和顯微

40、硬度等手段進行檢測與分析。（5）在A3鋼表面沉積鈦涂層，研究鈦涂層/A3鋼的電化學腐蝕性能，研究A3鋼/鈦涂層在人工海水條件下浸泡腐蝕性能；（6）通過實驗數據，獲得沉積性能優良鈦涂層的粒子溫度和速度、氧化動力學規律，建立工藝參數-粒子溫度、速度特征和氧化行為-涂層結構-涂層性能之間的關系，從而為低溫超音速火焰噴涂沉積性能優良的鈦涂層提供理論支撐。技術路線：噴嘴結構和尺寸冷卻劑材料和流量鈦粉末粒子速度和溫度表征低溫高速焰流流體場模擬低溫超音速火焰噴涂噴槍鈦粒子氧化動力學研究鈦粒子與基體撞擊作用模擬燃燒室喉嘴結構和尺寸沉積性能優良鈦涂層涂層微觀結構涂層氧含量表征腐蝕性能電化學腐蝕浸泡腐蝕工藝參數-

41、粒子溫度和速度特征-涂層結構和性能關系獲得性能優良鈦涂層，總結沉積的粒子溫度和速度規律鈦粉沉積的氧化行為關鍵技術： （1）采用高級的雷諾-應力湍流模型（RSM）對焰流流體場進行模擬以往的超音速火焰噴涂焰流模擬都是采用居于各向同性渦粘性基礎上而假設的k-模型，獲得在穩流下的湍流影響。然而，由于低溫超音速火焰噴涂增加了降溫介質，它會影響焰流的穩定性，復雜性大大提高，因此需要采用更精細的湍流模型對焰流進行模擬。應用高級的雷諾-應力湍流模型（RSM，Reynolds-Stress Model），可解決每個雷諾-應力項的輸運方程，從而避免采用k-模型。因此該模型可以更準確地獲取冷卻介質與燃燒氣體的混合，

42、能更準確地獲得焰流的溫度和速度場。（2）焰流中鈦粉末的原位收集如何原位獲得焰流中鈦粉末決定了其動力學研究。本項目采用專門的粉末粒子收集系統，焰流中的粉末被固體凝膠或粘性溶液捕獲并快速冷卻，確保收集的粉末粒子與焰流中的粒子具有相同的結構和化學特征，從而可以準確地進行粉末在焰流中的氧化動力學研究。可行性分析：(1) 科學的研究手段具有低溫高速焰流特性的低溫超音速火焰噴涂在沉積性能優良的金屬涂層具有獨特的優勢。一方面通過改變燃燒室喉嘴尺寸，提高燃燒室壓力，可以在較少燃料消耗下獲得高速焰流；另一方面加入惰性氣體氮氣或者水到燃燒室中，降低焰流溫度同時使焰流呈中性。上述兩種措施下可以使粒子的飛行速度達到1

43、000m/s，遠高于普通超音速火焰噴涂和“溫噴涂”焰流中的粒子速度，從而可以獲得性能優良的鈦涂層。粒子的溫度和速度是決定涂層性能優劣的直接的、有效的分析方法，加上焰流中鈦粒子和沉積過程中氧化動力學和粒子在基體表面堆垛、沉積的顯微觀察方法，可以有效地分析清楚鈦涂層的沉積機理。(2) 較好的前期研究基礎和可資借鑒的成果申請者自2006年在科技部國際合作項目和廣東省國際合作項目的支持下，和國外先進熱噴涂企業強強合作，開發新型的具有低溫高速焰流特性的低溫超音速火焰噴涂技術，申請了相關的國家專利（CN201620186U），并開展了鈦涂層的研究工作。通過對噴槍機構改進和粉末優選等方面研究，申請者對鈦涂層

44、的沉積工藝、粉末粒子的溫度和速度表征、涂層噴丸致密化、涂層后處理研究和涂層顯微結構和性能等方面開展了許多工作。研究發現，通過對噴槍結構的初步改進，可以獲得燃燒室壓力為普通超音速火焰噴涂的2倍、焰流溫度低的新型超音速火焰噴涂，鈦粒子在焰流中的速度可以達到1000m/s。新工藝的開發可初步在大氣環境下獲得致密達到95%以上、氧含量低于0.6wt.%的鈦涂層。A3鋼/鈦涂層的人工海水浸泡腐蝕30天后仍保持良好的光亮表面。項目組緊跟國際熱噴涂研究前沿，已經在沉積性能優良鈦涂層方面開展了許多富有成效的工作，但在焰流流體場模擬和表征、涂層沉積機理研究、新型噴槍結構進一步優化和鈦涂層耐腐蝕性能綜合評價等方面

45、還需要進行深入研究。 (3) 項目組整體科研能力強項目組現有中國工程院院士1人，973首席科學家1人，是一支力量雄厚，學歷和年齡結構合理，團結協作的學術梯隊，在熱噴涂技術的研究與開發方面有著豐富的經驗。項目組在國際上具有較高的知名度，廣泛地與美國、德國、法國、日本、烏克蘭等國的研究機構開展國際合作。承擔了國家973計劃、863計劃、國家軍工民口配套項目、國家和省自然科學基金等項目30多項。積極開展表面涂層的理論和應用基礎研究，近5年來在國內外著名刊物上發表論文80余篇，其中EI、SCI收錄論文30多篇，研究成果在國內外具有較大的影響，并獲國家發明和實用新型授權專利13項。因此，項目組通過努力完

46、全可以在該課題上取得創新成果和達到預期研究目標。4. 本項目的特色與創新之處；（1）通過對焰流的溫度和速度場模擬，在普通超音速火焰噴涂基礎上進行改進，開發具有低溫高速焰流特性的低溫超音速火焰噴涂新型噴槍；（2）研究粒子在焰流中的溫度、速度和氧化動力學規律，獲得鈦涂層的沉積機理和鈦涂層沉積的粒子溫度和速度條件；（3）建立工藝參數-粒子溫度、速度特征和氧化行為-涂層結構-涂層性能之間的關系，在大氣環境下沉積致密度大于98%、氧含量低于0.4 wt.%的鈦涂層。5. 年度研究計劃及預期研究結果。（包括擬組織的重要學術交流活動、國際合作與交流計劃等）。 年度研究計劃:2013.12013.10 調研和

47、收集資料；低溫高速焰流的流體計算。2013.112014.9 低溫超音速火焰噴槍初步設計和制造；低溫高速焰流流體計算及驗證；粉末粒子溫度和速度表征；涂層的制備和性能進行研究。2014.102015.5 改進低溫超音速火焰噴涂噴槍；粉末粒子和沉積過程中氧化行為研究；鈦粒子在基體表面的撞擊沉積機理研究； 2015.62015.10 涂層電化學腐蝕和人工海水浸泡腐蝕實驗；2015.112016.5實驗數據，總結沉積性能優良鈦涂層的粒子溫度、速度和氧化動力學規律，建立工藝參數-粒子溫度、速度特征和氧化行為-涂層結構-涂層性能之間的關系。2016.62016.12 整理試驗數據與研究結果；完成課題研究總

48、結報告，結題。預期研究成果：（1）獲得沉積鈦涂層的粒子溫度、速度和氧化規律，建立工藝參數-粒子溫度、速度特征和氧化行為-涂層結構-涂層性能之間的關系，從而為新型熱噴涂工藝沉積性能優良金屬涂層提供理論支撐。（2）在大氣環境下獲得致密度大于98%、氧含量低于0.4 wt.%的耐腐蝕鈦涂層。（3）研究成果在EI、SCI收錄刊物上發表論文1015篇，培養碩士生2名，博士生2名。申報專利1項，提交研究總結報告1份。（二）研究基礎與工作條件1、工作基礎（與本項目相關的研究工作積累和已取得的研究工作成績）；1、工作基礎項目組多年來從事超音速火焰噴涂的研究和應用工作，積累了豐富的研究經驗。緊跟國際熱噴涂技術發展的前沿，2006年在科技部國際合作項目和廣東省國際合作項目的支持下，和國外先進熱噴涂企業強強合作，成功開發新型的具有低溫高速焰流特性的低溫超音速火焰噴涂工藝，申請了相關的國家專利（CN201620186U），并開展了鈦涂層的研究工作。通過對噴槍結構設計、粉末優選、工藝研究和后處理研究等方面開展的工作，研究發現，注入氮氣冷卻劑可以有效提高燃燒室的壓力，