热喷涂涂层/基体异质界面结合强度优化理论与方法现状研究
发布时间：2021-07-12 18:25
结合强度是评价热喷涂涂层质量的重要指标之一,直接影响装备零部件的服役安全与寿命。由于涂层本质上是由大量高速飞行的熔融态喷涂粒子撞击基体迅速铺展凝固、逐层堆垛所形成的,无法在基体界面形成微熔池或有效的元素扩渗,因而涂层/基体界面通常以机械结合为主,冶金结合的含量则相对较少。分别从基体表面粗化预处理、原位元素扩渗及重熔后处理三个角度,详细综述不同处理工艺对涂层/基体界面机械与冶金两种结合机理提升的影响规律。结果表明,粗化后的基体能够增加界面锚合、嵌合及咬合的机械结合程度,同时增大熔滴与基体表面的润湿程度,减小界面裂纹及热应力;通过调节粒子飞行特性（包括速度、熔融状态、物相成分、几何结构、空间分布等）与基体表面状态（温度、化学成分等）等,降低撞击基体后的凝固速度,促进界面元素扩渗,有利于形成微冶金结合;原位激光辅助喷涂及各类重熔后处理技术则可以通过引入的热源,进一步促进涂层内各组元的充分混合、消除微裂纹及孔隙等结构缺陷、调控整体热应力,提升涂层结合强度。
【文章来源】：机械工程学报. 2020,56(10)北大核心EICSCD
【文章页数】：14 页
【部分图文】：
不同压力条件下基体喷砂处理后截面形貌
图1 不同压力条件下基体喷砂处理后截面形貌喷砂粗化效果的主要影响因素包括：砂砾材料、粒径、喷砂角度、距离、压力、时间等多种因素。从图3的模拟结果可以看出，随着基体表面粗糙度的增大，飞行熔滴在撞击基体之后逐渐发生飞溅现象，并且可能在界面形成一定的小气孔，不利于涂层/基体界面润湿，因而并非基体表面粗糙度越大就越有利于结合强度的提升[8]。MOHAMMADI等[9]研究了Ti-6Al-4V表面粗化效果对HA涂层结合强度的影响，分别通过射吸式和压入式两种方法，选用不同粒径的Al2O3和SiO2进行粗化，结果表明适当增大表面粗化程度，一方面可以形成锚钩效应，另一方面可以增加熔滴撞击基体时的接触面积，增加冷却速度，因而易在首层粒子中形成非晶相以及降低残余应力，从而达到增大结合强度的效果。SEN等[10]通过调整喷砂压力和粒径对碳钢进行粗化，并分别研究了基体表面粗化效果对爆炸喷涂Cu、Al2O3、WC-12Co涂层结合强度的影响，结果表明，基体表面粗糙度并非越高越好，喷砂压力过大时会使得基体表层变得“疏松”，因而较好的粗化效果应当是使结合界面具有适当的粗糙度，同时获得具有一定倾角的微观峰谷。
由于喷砂粗化过程相对较为随机，并不一定能够完全按照设计意图得到合适的粗糙峰谷，同时喷砂过程容易在新鲜的基体表面产生粉尘等污染，因而近年来有学者提出采用洁净度更高、灵活性更强且对基体亚表面损伤程度更小的激光织构化方法提高涂层的结合强度[11-12]。通过高能激光束辐照基体表面，使表层材料迅速熔化甚至汽化形成凹坑，而汽化部分的蒸汽柱则会对熔融态的材料形成较强的反向冲击压力，从而将部分材料驱使至凹坑周围形成堆积物，进一步增加织构图案的粗糙度，其原理示意图如图4所示[13]。图5为不同形状的典型织构化图案形貌，可以看出，根据基体材料性质的差异，调整激光辐照工艺参数，设计出不同倾角、直径、深度、密度及形状的织构化图案，并研究其对涂层/基体界面结合行为的影响规律逐渐成为这一领域较为热点的研究方向[14]。图4 凹坑及其堆积物形成机理
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于划痕实验激光重熔Ni基WC金属陶瓷涂层强度分析[J]. 赵运才,张佳茹,林翔. 表面技术. 2017(04)
[2]等离子喷涂-重熔NiCrBSi涂层的显微组织与耐磨性能[J]. 田立辉,毛淑滑,芦笙,姚增健. 焊接学报. 2016(06)
[3]高频感应重熔处理火焰喷涂NiCrBSi涂层的显微组织与力学性能[J]. 赵锐,杨红军,于鹤龙,张梦清,周克兵,张伟. 中国表面工程. 2016(03)
[4]热喷涂Ni基复合涂层重熔处理的研究现状[J]. 杨秀从,李国禄,王海斗,康嘉杰. 表面技术. 2016(03)
[5]感应重熔-热处理对镍基碳化钨涂层的影响[J]. 张生欣,狄平,徐梦廓,朱世根. 中国表面工程. 2016(01)
[6]脉冲电子束与喷砂复合处理对MCrAlY涂层表面粗糙度及结合强度的影响[J]. 邹慧,雷娟娟,王志平,蔡杰. 焊接学报. 2015(04)
[7]激光重熔对镍基热喷涂涂层性能的影响[J]. 潘力平,郑子云,刘红伟,刘光,崔烺. 兵器材料科学与工程. 2015(01)
[8]基于分形理论的超音速等离子喷涂层界面结合行为研究[J]. 陈书赢,王海斗,徐滨士,康嘉杰. 物理学报. 2014(15)
[9]高铝青铜粉体超音速等离子喷涂层感应重熔后的组织及性能[J]. 路阳,邓刚,杨效田,郭文俊,施晓雨. 北京科技大学学报. 2014(03)
[10]热喷涂层滚动接触疲劳寿命演变规律研究进展[J]. 陈书赢,王海斗,徐滨士,康嘉杰. 机械工程学报. 2014(08)
本文编号：3280425
【文章来源】：机械工程学报. 2020,56(10)北大核心EICSCD
【文章页数】：14 页
【部分图文】：
不同压力条件下基体喷砂处理后截面形貌
图1 不同压力条件下基体喷砂处理后截面形貌喷砂粗化效果的主要影响因素包括：砂砾材料、粒径、喷砂角度、距离、压力、时间等多种因素。从图3的模拟结果可以看出，随着基体表面粗糙度的增大，飞行熔滴在撞击基体之后逐渐发生飞溅现象，并且可能在界面形成一定的小气孔，不利于涂层/基体界面润湿，因而并非基体表面粗糙度越大就越有利于结合强度的提升[8]。MOHAMMADI等[9]研究了Ti-6Al-4V表面粗化效果对HA涂层结合强度的影响，分别通过射吸式和压入式两种方法，选用不同粒径的Al2O3和SiO2进行粗化，结果表明适当增大表面粗化程度，一方面可以形成锚钩效应，另一方面可以增加熔滴撞击基体时的接触面积，增加冷却速度，因而易在首层粒子中形成非晶相以及降低残余应力，从而达到增大结合强度的效果。SEN等[10]通过调整喷砂压力和粒径对碳钢进行粗化，并分别研究了基体表面粗化效果对爆炸喷涂Cu、Al2O3、WC-12Co涂层结合强度的影响，结果表明，基体表面粗糙度并非越高越好，喷砂压力过大时会使得基体表层变得“疏松”，因而较好的粗化效果应当是使结合界面具有适当的粗糙度，同时获得具有一定倾角的微观峰谷。
由于喷砂粗化过程相对较为随机，并不一定能够完全按照设计意图得到合适的粗糙峰谷，同时喷砂过程容易在新鲜的基体表面产生粉尘等污染，因而近年来有学者提出采用洁净度更高、灵活性更强且对基体亚表面损伤程度更小的激光织构化方法提高涂层的结合强度[11-12]。通过高能激光束辐照基体表面，使表层材料迅速熔化甚至汽化形成凹坑，而汽化部分的蒸汽柱则会对熔融态的材料形成较强的反向冲击压力，从而将部分材料驱使至凹坑周围形成堆积物，进一步增加织构图案的粗糙度，其原理示意图如图4所示[13]。图5为不同形状的典型织构化图案形貌，可以看出，根据基体材料性质的差异，调整激光辐照工艺参数，设计出不同倾角、直径、深度、密度及形状的织构化图案，并研究其对涂层/基体界面结合行为的影响规律逐渐成为这一领域较为热点的研究方向[14]。图4 凹坑及其堆积物形成机理
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于划痕实验激光重熔Ni基WC金属陶瓷涂层强度分析[J]. 赵运才,张佳茹,林翔. 表面技术. 2017(04)
[2]等离子喷涂-重熔NiCrBSi涂层的显微组织与耐磨性能[J]. 田立辉,毛淑滑,芦笙,姚增健. 焊接学报. 2016(06)
[3]高频感应重熔处理火焰喷涂NiCrBSi涂层的显微组织与力学性能[J]. 赵锐,杨红军,于鹤龙,张梦清,周克兵,张伟. 中国表面工程. 2016(03)
[4]热喷涂Ni基复合涂层重熔处理的研究现状[J]. 杨秀从,李国禄,王海斗,康嘉杰. 表面技术. 2016(03)
[5]感应重熔-热处理对镍基碳化钨涂层的影响[J]. 张生欣,狄平,徐梦廓,朱世根. 中国表面工程. 2016(01)
[6]脉冲电子束与喷砂复合处理对MCrAlY涂层表面粗糙度及结合强度的影响[J]. 邹慧,雷娟娟,王志平,蔡杰. 焊接学报. 2015(04)
[7]激光重熔对镍基热喷涂涂层性能的影响[J]. 潘力平,郑子云,刘红伟,刘光,崔烺. 兵器材料科学与工程. 2015(01)
[8]基于分形理论的超音速等离子喷涂层界面结合行为研究[J]. 陈书赢,王海斗,徐滨士,康嘉杰. 物理学报. 2014(15)
[9]高铝青铜粉体超音速等离子喷涂层感应重熔后的组织及性能[J]. 路阳,邓刚,杨效田,郭文俊,施晓雨. 北京科技大学学报. 2014(03)
[10]热喷涂层滚动接触疲劳寿命演变规律研究进展[J]. 陈书赢,王海斗,徐滨士,康嘉杰. 机械工程学报. 2014(08)
本文编号：3280425
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