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氧枪喷头作为转炉炼钢的关键设备,是向转炉内供氧的主要工具。在冶炼过程中,喷头端面的粘钢粘渣、热疲劳熔蚀溶损是影响转炉炼钢工艺连续性和生产效率的重要因素。因此,本文采用热喷涂表面强化技术,在氧枪喷头表面等离子喷涂双层结构ZrO2-MgO防护涂层,通过设计开展热疲劳损伤试验,采用SEM、EDS、XRD等检测手段,深入研究涂层及无氧铜基体的热疲劳裂纹萌生、扩展以及物相组织变化过程。同时采用ANSYS Workbench有限元分析软件和Ncode DesignLife疲劳寿命仿真分析软件对涂层的服役寿命进行预测。本文主要研究内容和结论如下:首先,研究了氧枪喷头基体材料无氧铜在热循环条件下热疲劳损伤行为。结果表明:热循环过程中,无氧铜基体结构发生变形,最大变形率达到1.566%;分析基体表面微观组织、物相组织显示,表面裂纹萌生于夹杂物或受挤压区域,在热应力和氧化腐蚀作用下,裂纹沿晶界方向扩展,且热循环前后没有新的物相生成;观察金相组织发现,热循环促使基体内部晶粒细化,由平直等轴晶演化为带状或条状晶粒,并且伴随着孪晶衍生。其次,在了解基体热疲劳损伤基础上,深入研究防护涂层热疲劳损伤行为。结果表明:热循环促使防护涂层结构轴向和径向变形显著,其中轴向变形率达到11.10%,径向达到4.23%,涂层宏观形貌出现翘边和鼓包变形破坏失效;通过涂层表面、截面微观组织、物相组成以及化学成分分析发现,粘结层和基体界面出现Al2O3热生长氧化层,其厚度达到48.01μm,降低了粘结层与基体之间的机械结合,加速了涂层开裂失效;此外,热喷涂涂层表面存在的孔隙,一方面可以释放涂层内部热应力,另一方面易在孔隙处发生氧化和外部热应力集中,加速孔隙和微裂纹以沿晶方式扩展,并伴随着氧化腐蚀,裂纹沿垂直涂层方向向涂层内部扩展,裂纹末端由于应力集中扩展为枝状裂纹。最后,通过ANSYS Workbench对热循环涂层试件进行热力耦合分析,获得涂层试件温度场和热应力场结果,将有限元结果输入到Ncode DesignLife疲劳寿命预测软件,计算其热疲劳寿命为197.1次,基本与试验疲劳损伤次数一致,验证了疲劳寿命预测结果合理性和有效性;采用此方法对带涂层氧枪喷头模型进行寿命预测,其寿命为643.3次,相较于常规氧枪喷头,其寿命得到显著提高,并且对将此防护涂层应用于实际生产具有指导意义。