激光织构化Ni60喷涂涂层的成形机制及其服役性能研究

发布时间：2020-06-08 02:26

【摘要】：等离子喷涂层已经被广泛地应用来提高零件表面的耐磨、耐腐蚀以及抗疲劳等性能。但由于喷涂层是喷涂颗粒的堆叠形成的,因此涂层之间存在裂纹气孔等缺陷,并且涂层与基体的结合类型属于机械结合,使喷涂涂层的结合强度很低,极易在服役过程中失效,进而导致整个服役系统失稳破坏。需要针对涂层的服役环境及失效特点对其性能进行改善。激光织构化处理是改善涂层表面与界面性能行之有效的新方法,但是应用织构化处理提高喷涂层性能的研究却鲜有文献报导。本文将织构图案制备于涂层界面来提高Ni60喷涂涂层的结合强度,结合图像处理软件(Image Pro Plus)对织构化图案提高喷涂层结合强度的机理进行了探讨;利用单个颗粒收集技术获得颗粒的沉积形貌,分析织构参数对喷涂颗粒铺展行为的影响,研究了喷涂涂层在织构化处理的基体表面的成形机理;探索了织构图案粗糙度参数对喷涂颗粒高温润湿性能的影响,并建立了喷涂涂层结合强度与粗糙度参数的关系;同时,将仿生织构图案制备于喷涂涂层表面,利用YS-2疲劳实验机对涂层的滚动接触疲劳寿命进行考察,并对不同结合强度下喷涂涂层的滚动接触疲劳寿命进行预测。研究了织构图案形状(沟槽形、正方形及六边形)对喷涂涂层结合强度的影响,并与喷砂处理后的结合强度(50MPa)进行对比,分析了织构化图案影响涂层结合强度的机理。结果表明,对比于喷砂处理,沟槽形织构化处理后界面处增加接触面积率(CZR)提高了1.28倍,涂层的结合强度为58MPa。正方形形织构化处理后涂层的结合强度最低为33MPa,导致涂层结合强度差异的原因为织构图案形状改变了界面处增加接触面积率、织构图案的密度及界面处平面区的面积。研究了织构图案的深度(H)、直径(D)及间距(L)对喷涂涂层填充行为及成形机制的影响,并探讨了织构图案参数的交互作用对涂层结合强度的影响。结果表明,随织构图案深度的增加织构内部逐渐产生气孔,涂层的结合强度取决于增加接触面积率与织构内气孔体积(V_t)的竞争机制;涂层结合强度随织构直径的增大呈整体上升趋势,随织构间距的增大而降低。织构图案的直径会影响喷涂颗粒在凹坑内部的润湿行为,而织构图案的间距会改变喷涂液滴在平面区域的结合类型;考虑到织构图案参数的交互作用,织构图案的径-间比(D/L)是影响涂层结合强度的直接参数。研究了粗糙度参数与喷涂液滴高温润湿性的关系,利用高斯通过率波长限定实现了织构化表面粗糙度参数的分级提取,并建立了振幅参数(S_(sk),S_(ku))与涂层结合强度的关系。结果表明,随振幅参数S_(sk)及空间参数S_(tr)增加,喷涂液滴润湿角增加,而随振幅参数S_(ku)的增加及空间参数S_(al)的增加,喷涂液滴润湿角降低。激光织构化表面的纳米级堆积物质有利于S_(ku)的增加,能够提高液滴的润湿性。粗糙度的振幅参数(S_(sk),S_(ku))可以用来建立与喷涂涂层结合强度的关系,但是结合强度随振幅参数的变化趋势由织构直径与喷涂颗粒粒径的关系而确定。研究了界面织构化图案改善喷涂涂层滚动接触疲劳性能的机理,结果表明界面织构化图案可以提高涂层的结合强度,能有效改善接触疲劳条件下的分层失效;同时,对不同结合强度(50MPa、60MPa及70MPa)的涂层的疲劳寿命进行预测发现,随着结合强度的提升,涂层的特征寿命(即失效概率P=62.5时的失效寿命)从1.233分别上升至1.415和1.995;研究了表面织构化图案直径和密度对涂层接触疲劳性能的影响,结果表明,随着织构图案直径的增加,凹坑内部及边缘的堆积物质逐渐增多,涂层的接触疲劳性能先上升后降低。随着织构图案织构的密度增加,涂层的承载能力下降,涂层的接触疲劳性能随织构密度的增加呈现先上升后降低的趋势。
【图文】：

后将熔融或半熔融状态的材料沉积于经过预处理的，等离子体火炬被开发是源于测试高热材料的需求，纪五十年代末六十年代初，用等离子枪来喷涂材料离子喷涂技术几乎可以实现在任何类型的基体上喷活性是该技术快速发展的重要原因之一[14]。其高温，如陶瓷材料以及高熔点合金[15]。熔融或半熔融的材料喷射于基体表面形成连续涂层离子焰流为热源的热喷涂技术[17]。喷涂时将粉末材料到熔融或半熔融状态，并在射流的作用下，高速撞击、摊平、堆垛然后形成涂层，，这就是等离子喷涂的基图 1.1 所示[21]。等离子喷涂涂层的质量主要取决于喷终的冷却过程及喷涂颗粒的堆积过程[22]。在等离子喷涂层的结合强度是非常重要的，所以基体表面通常会的质量[23]。

哈尔滨工程大学博士学位论文耐磨以及耐热疲劳等不同功能的涂层[28-30]。Liu Zhe 等[31]在碳钢表面分别制备层 Ni60 涂层、陶瓷涂层 Al2O3涂层以及 ZrO2陶瓷涂层，并与未喷涂的基体的对比，发现金属涂层的防腐性能要优于未喷涂的基体的腐蚀性能，而陶瓷涂层能要优于金属涂层。Bao, MD 等[32]利用等离子喷涂技术制备了 Al-Si 添加纳米合涂层，得到了摩擦学性能优异的复合涂层，涂层的磨痕形貌如图 1.2 所示。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG174.4

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本文编号：2702389