（机械设计及理论专业论文）等离子喷涂层结合强度研究及应用.pdf

- 一a b s t r a c t 二一一一一一一 人 气 ab s tract o n t h e b a s i s o f s u m m a r iz i n g t h e d e v e l o p i n g o f t h e f ie l d ,i n t e g r a t i n g t h e f u n d a m e n ta l p r i n c ip le s o f p h y s ic s a n d t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e r m a l s p r a y i n g ,t h e t h e s is h a s e x p l o r e d t h e i n f u e n c i a l f a c t o r s a n d a p p l i c a t io n o f a d h e s iv e i n t e n s ity o f p l a s m a - s p r a y i n g c o a t i n g s .t h e m a i n s u b j e c t s o f t h i s t h e s is i n c l u d e a s f o l lo w s : ( i )a s e r ie s o f s i m u la t io n s is p e r f o r m e d t o i n v e s t i g a t e t h e m o m e n t u m a n d h e a t t r a n s f e r d u r i n g p a r t i c l e m o v e m e n t a n d h e a t i n g .t h e r e s u lt i n d ic a t e t h e i m p o r t a n c e o f v a r ia b l e p r o p e r t y , k n u d s e n ,a n d m a s s - t r a n s f e r c o o l i n g e f f e c t s o n t h e p a r t ic l e m o t i o n a n d h e a t i n g h is t o r y .l n o r d e r t o p r o d u c e w e l l - b o n d e d c o a t i n g s , i t i s e s s e n t i a l t h a t t h e p o w d e r p a rt i c l e s b e c o m p le t e ly m o lt e n a n d t r a v e l l i n g a t a s u f f i c i e n t l y h i g h v e lo e i t y .ma t h e m a t ic a l m o d e l i n g o f t h e im p i n g e m e n t , s o l i d f i c a t i o n s a n d s p r e a d i n g o f p a r t i c l e s o n s u b s t r a t e i n p l a s m a - s p r a y in g p r o c e s s e s .b a s e d o n t h e i m p o rt a n c e o f fl a t t e n r a t i o o f m o l t e n d r o p le t s t o a d h e s i o n o f c o a t i n g s , s p la t f l a t t i n g r a t i o h a s b e e n o b t a i n e d a s a f u n c t i o n o f r e y n o l d s ,we b e r ,p r a n d t l a n d j a k o b n u m b e r s : t h e c h a p te r a ls o in c l u d e w a y s t o i m p r o v e t h e a d h e a s i v e in te n s it y o f c o a t in g s . ( 2 )b a s e d o n t h e c o n c e p t o f m o d e l p h y s i c a l - c h e m i c a l o f m a t e r i a l w e l d in g t h e o r y ,t h i s c h a p t e r h a s e x p o u n d e d th e p r i n c i p l e o f f i r m c o a l i t i o n i n p l a s m a - s p r a y i n g .t h e c o u r s e e q u a t i o n t o d e p i c t i o n t h e fi r m c o a li t i o n o f p a r t i c le a n d i n t e r f a c ia l t e m p e r a t e t k b e t w e e n p a r t i c l e a n d s u b s t r a t e h a v e b e e n d e v e l o p e d . ( 3 )b y u s i n g t h e t w o - d im e n s i o n a l e la s t i c i ty t h e o ry a n d f o u r i e r i n t e g r a l , a m a t h e m a t i c a l m o d e l i n g t o t h e e d g e - l o a d p l a s m a - s p r a y i n g s e m i - i n f i n i t e s o l i d is o b t a i n e d . l t is s h o w n t h a t b y d e p o s it i n g a r e la t i v e ly t h i n f i l m o f a s t i f f m e t a l l i c la y e r ,t h e m a g n i t u d o f t h e i n t e r fa c e s t r e s s e s c a n b e g r e a t ly r e d u c e d . ( 4 )s o m e e x p e r i m e n t s w e r e c o m p l e t e d ,a n d t h e p r e d i c t o f t h o e ry p r o v e d t o b e a c c o r d a n c e w i t h t h e r e s u l t .t o d e s i g n a d v a n c e d c o a t i n g s w i t h f i r m a h e s i v e in t e n s it y , m e t h o d s : 。 :g iv e n . g u i d e d勿 t h e c o n c lu s i o n s a b o v e - m e n t io n e d ,t h e l e a d i n g - d i r e c t i o n w h e e l m a d e s u c c e s s f u l l y h a v e a c h i e v e d p r e d e t e m i n e d o b je c t i v e s w h e n a p p l i e d t o in d u s t r i a l t e s t i n g . 第一章绪论 互 1 . 1等离子喷涂技术及其在机械工业中的应用 近儿卜 年来，随着科学技术的迅速发展， 人们对机器零部件表面性能的要求越来 越高， 一 般的金属材料和工程合金，在表而的耐磨、耐腐蚀和耐高温等方而，己远远 小 能满足要求。如果选用特殊的合金材料来制造零部件整休， 则很不经济;另一方 il i ，f i 3 1 , 特殊合金材料虽然能满足其表而性能的要求，但并不一定具有良 好的加工 _ 艺 性能 ( 包括铸造、焊接、锻造、热处理和切削加工等性能)。因此采用特殊合金材料 来制造机器零部件往往不合适。那么，能否通过在普通材质的零件表面上覆盖一层具 有 特殊合金材料性能的涂层的办法，来解决这个难题呢?实践证明是可以的。等离l j喷 涂技术就是实现这一工艺过程的一门新技术。 所谓等离子喷涂就是利用等离子弧作为热源，将粉末状或丝状的金属或非金i . u ti 涂材料加热熔融或软化、并用热源自身的动力和外加高速气流使喷涂材料雾化，使喷 涂材料的熔滴以一定的速度喷向经过预处理干净的基体 ( 零件)表面，依靠喷涂材料 的物理变化和化学反应，与基体 ( 零件)形成结合层的 _ 艺方法。 等离子 喷涂技术是从五十年代末期发展起来的，和其臼10 1 涂方法 ( 氧乙炔火焰喷 涂、余属电弧喷涂)相比，它可以熔化一切难熔金属和非金属粉末，能在普通树质的 攀 件表irl i 上获得具有耐磨、耐腐蚀、耐高温等各种不同性能的涂层。它可以达到提.佰 d 1) 1, 器零部件的表面质量、延长使用寿命、修复已损缺的旧件等目的。另外，它还具有 11贪 涂效率高，涂层致密、零件热变形影响极小、经济效果显著等优点。因此，等离r u涂技术在现代 _ 业和尖端科学技术中得到了 广泛的应用。 i j . 航 i 业中的人造卫星、火箭、导弹的表而层，在飞行中经过大气层时，需要承 受极.宕 ， 的温度a具有优良的绝热特性，以保持其内部的仪表在恒温条件 厂i 作，日!iii 1 采川等离t ll涂耐热、隔热涂层来满足i 述要求。就美国 j t 3 d 发动机而言，找 ， f f a s 种2 6 9 个零部件采用了等离子喷涂技术的处理方法，涂层材料主要有a 12 0 3 , c i-c l w c / c o 和n i/ a i 等。 英国 在飞机的制造i i , ，也多 处采用了 等离子喷涂技术。 在机械制造_1 _ 业中，机器摩擦副零件 ( 如机床中的导轨副和轴颈轴瓦副、汽车拖 i i 机， 卜 的曲 轴与凸轮轴)的摩擦表而采用等离子 喷涂耐磨涂层，可以提高它们的耐助 性能。 在机器设备的修理过程中，采用等离子喷涂技术，可以使许多因磨损和腐蚀iili 报 废的零部件得以修复。由于喷涂后的涂层具有特殊合金材料的性能，因此，那些经修 s 处理的零部件的使用寿命 往往超过新的零部 件。 但就 前而言，我国在这 一领j 14, j 发达国家相比差i i. 还很大，在我it u i i ts 这项技 术 的1 0 日 ,l 具有i端; 重要的意义。 第 i 页 1 . 2涂层结合强度研究简介 如前所述， 等离子喷涂层具有许多优点，等离子喷涂技术在世界范围内 也得到了 ) 泛应川。 但是，等离子喷涂技术的实际应用并没有在表面工程领域占据主导地位， 在许多f l 望应用的领域仍处于实验研究阶段。这主要是因为喷涂材料与基休往往存在 石 化学键- 几 的根本区别，从而在涂层与基体之间形成一个脆弱的界面，同时由于两者 热膨) 长 系数上的区别造成界面处的应力，使等离子喷涂层极易剥落和开裂。要使各种 喷涂材料都与待处理的基体都形成化合键结合，在当今的理论与技术上是不可能的。 们 1 足大员的研究与实验 ，一， o ,表明: 影响喷涂层结合强度的因素非常复杂，除了喷涂材料 外， 喷涂1 _ 艺参数和喷涂层的结构参数同 样在很大程度上影响涂层的结合强度。 1 .2 . 1 喷涂层结构参数对涂层结合强度的影响 等离子 喷涂层失效的主要原因是涂层系统的内 应力问题。 涂层系统的内应力从产 i l l 分布都是十 分复杂的，应力主要是因喷涂层与基体热物理性能的差异以及喷涂木 身具有的特点造成的。应力土要包括以一 !; 四种;残余应力、热循环应力、相变应力和 囚材料城化造成的应力等。残余应力足形成涂层过程中产生的。高温等离子焰流i i i 熔 化的粉末在较冷的基休表面上相粘结形成涂层，涂层中的粉末微粒都经过了极为迅速 的加热 j 冷却过程。就整体结构而言，由于 冷却速度很快，这样形成的材料结构为作 ,i;. 衡结构， 表现在以 下儿 个方面 t: ( 1 ) 过饱和结构;( 2 ) 非 平衡晶 相;( 3 ) 品 格 扭曲， 从而 产生残余应力。 明， 厚i x 对于 残余应力的形成，国内外进行了许多研究，其影响因素很复杂 影响残余应力的主要因素有: ( 1 )涂层与基体之间的热膨胀相容性; ( 3 )涂层的热导率; ( 4 )涂层材料的化学稳定性。 实验12 -6 1 农 ( 2 )涂) ， : u 涂层与基体之间的热膨胀相容性 涂层与基体在界面两侧的自由膨) 长 方向及大小不一而产生的热应力是导致涂层剥 落的i 要 原ik l2 。大量实验表明界ifti )js , -x现象主 要发生在等离子 喷涂沉积初期， 此时) , i: 体温度最低，受热后具有很大的膨) 长 趋势，而喷涂沉积物冷却后具有很大的收缩趋 外卜 述两种趋势受到限制后， 涂层与 鉴体就会在结合界而处产生很大的剪切应力， l 致涂层剥落。基体与涂层热膨胀性的差异、热应力的松弛能力以及界而粘附强度足 决定涂层是否剥落的主要因素。热膨胀性的差异 ( 。 ) 与温度变化 ( a t ) 越大则热 应) j 越大。 一 般情况 卜 ，基体的热膨胀系数要比 涂层的热膨胀系数大，因此升温时涂层受从 体拉i ll ,即涂层受拉应力， 这一应力值可 通过一 式计算3 _ e ( a , - a) ( t 2 - t , ) u 2 - 一一不t4 一一 第 2 页 其中e a = 1 0 -0 ; 第 3 2页 而k 1 于p 二 1 0 c m , a = 1 0 - x , 因此即使在最有利的条件下， 也只有接触面积的1 0 % 可以认为是由 于基体塑性变 形引 起。 所以，喷涂时保证粒子牢固结合的主要因素是热活化.当粒子速度高时 ( 高 于1 0 0 - 2 0 0 米砂 ) 压力能够通过塑性变形以 及在每个粒子碰撞处基体晶 格的弹性畸变， 来加速焊合过程。 在其它条件相同的情况下， 具有较高速度的喷涂材料粒子， 将会引起较大的基体 塑性变形。其结果是近表面层中的体积过程将加速进行。因此，由于结合过程第三阶 段的深入发展，运动速度比较高的粒子的焊合强度，显然也应当比较高。 第 3 3页 3 . 4小节 木章阐述了等离子喷涂时形成牢固结合的现象，从材料焊接理论的现代物理化学 概念出发，研究了这一过程。 ( 1 ) 指出在等离子喷涂时粒子 牢固结合的决定性阶段是化学相互作用阶段，喷涂 时保证粒子牢固结合的主要因素是热活化， 并给出了 描述粒子牢固结合过程的 方程: d!-wi 一 (、 一 ) 一 e.vexp l -ktk) ( 2 )建立了 确定等离子喷涂时粒子牢固结合的基本参数 ( 温度、 相互作用的时间 和发展程度、 速度、 活化能等) 的计 算方法. ( 3 ) 指出 评价化学反应动力学所必须的参数之一，是液滴和固体基体处建立起来 的温度t r 。并给出了确定粒子与基体接触处温度t r 的计算方法，这个温度是时间、粒 广 和基体温度及它们的热物理性能的函数。 ( 4 ) 分析了 喷涂粒子与基体的碰撞速度对涂层结合强度的 影响， 指出 在其它条件 相同的情况下， 运动速度比较高的粒子造成的基休的塑性变形比较大，并且碰撞压力 能够通过塑性变形能使每个粒子 碰撞处基体晶格的弹性畸变， 来加速焊合过程，因此 以 旱 合强度也比较高。 第3 4页 第四章涂层系统应力分析及结构参数优化 4 . 1涂层内 残余应力的产生及对策 如果不提到涂层中应力及其产生的原因，就分析涂层的形成和决定其性能的接触 现象，则这个分析将是不完全的。在对比 涂层强度和致密态同种材料的强度时，以及 i: 研究涂层厚度对其同基休结合强度的影响时，自 然，产生了关于应力的问题。等离 f 喷 涂 层 的 强 度 确 实 不 高， 一 般 不 超 过1 0 0 - 1 5 0 k g /m m ， 这比 金 属 的 强 度 低了 一 个 到 一 个半数量级。随着涂层厚度的增加，其强度下降，而足够厚的 ( 2 - 3 m m )涂层，通常 倾向于自 发的剥落3 7 1涂层强度低的原因，在于其结构和形成条件。其基本原因如 卜 : ( 1 ) 粒子作用下的所有部段 ( 其上发生涂层与基体的牢固结合)面积总和仅占基 体表而全部面积的一部分。 ( 2 ) 焊合点自 身的强度也低于致密态材料的强度， 这是因为: 1 组成结合体的宏观和微观缺陷; 2 .休积相互作用引起的基体和涂层材料的相互渗入度不大; 3 . 不同类型化学键晶格的联结，如钢基上的wc / c o 涂层; ( 3 ) f l l 致密态材料的密度相比， 涂层密度较低 ( 8 0 - 9 0 %)。 ( 4 )山于 涂层材料成形的 特点在其中 产生了 大的残余应力。 残余应力是喷涂热条件及涂层和基体材料热物理性能差别的结果。这些应力在涂 层冷却后产生。 残余应力的引起，既是由于高温气体和喷涂熔融粒子整体引起的喷涂 区域内的 “ 宏观热循环”， 也是由于在侮个凝固结晶粒子下的 “ 微观热循环”。 固体中的残余应力或内 应力按照在其中内应力平衡的体积来分类。第一类应力同 物体的宏观体积有关;第二类应力是山于一些单个的晶粒变形的局部不均匀性引起 的， 这些晶 粒的一部分可能受到张力，而另一部分则受压缩; 第三类应力在单个晶粒 的范围内 起作用，它是晶格原子之间 y k 离不等的结果。由 于涂层材料成形的特点，所 有类型的应力在涂层中都会起作用。但是，第二和第三类应力通常在凝固结晶粒子的 体积内取得平衡。由于 碰撞、变形非平衡结晶及其它喷涂粒子相互作用的强烈过程互 相关联， 这些应力的水平是很高的。 极短的 相互作用时间， 使得在粒子本身和沿着粒 i 界ifll 在形成涂层期间都不能发生应力松弛，因此，喷涂后在涂层中保留了高的残余 应力水准。 如果把涂层看作连续介质，并把这种观点作为一级近似，即假定涂层具有低气孔 率， 则可以 估计在整个涂层尺寸相近体积内 平衡的 残余应力。正是这些应力成为大多 数涂层破坏的原因。 、 ，1l 喷 涂的零件冷却时，在其中产生了复杂的残余应力场.这个场同射流中喷涂材 第3 5 页 一 方法，即测定涂层热循环稳定性的方法。 最常见的试验方法是将带有涂层的试件或 ! 件放在炉中或者用火焰加热到所需的 温度，随后浸入水中冷却。 涂层破坏前的热交 换次数n _可以 作为评价其热循环稳定性的依据。 根据涂层同基体结合强度， 涂层中粒子间的结合强度的数值不同， 破坏可能在涂 层同荃体之间， 也可能发生在涂层的颗粒之间。 其中， 最薄弱处常常是在靠近基体的 涂层粒子之间的结合区。因 此， 在破坏时部分涂层留在基体表面上。 靠近基体处涂层 的强度低是因为致密且大质量基体的高导热对第二层、第三层及其余靠近基体的层粒 子 接触处热循环有着不良 的影响。随着喷涂层的厚度增加，其热导率降低， 接触温度 迅速增加，涂层中上部分的强度亦随之增加。 在离开基体足够远处， 涂层在亚稳态热条件下形成。我们来研究涂层中粒子的相 力 _ 作川和牢固结合现象。喷涂实验表明，甚至对于具有最高晶格键能的难熔金属，不 ) ii 预 热工件，粒子也能在涂层中比 较牢固地结合。 但若将粒子喷涂到与其致密状态相 同的同种材料上，则为了达到它们之间的牢固结合，对于钨要求预热到8 0 0 c ，对于钥 要求预热到5 0 0 0c 。因此，涂层的低热导率为其成形创造了 有利条件。 因此， 在等离子喷涂层的设计 与开发时， 特别在涂层必须在高温条件下工作时， 我们应当 注意减小热应力。所能采取的措施有加大基体温度、涂层后处理 ( 缓冷) 等。其主要原理是通过上述措施，增大接触温度以 及减小温度降低速率，以使涂层热 应力减小， 增大涂层强度。 4 . 1 . 1 墓体表面预处理对涂层结合强度的影响及机型3 9 早为人们所熟知，在喷涂前对基体表面进行喷砂处理，或进行化学腐蚀，能增大 涂层在基体上的附着力，并在实际生产中得到了 广泛地应用。这是因为: ( 1 )由于大气中 气体的 化学吸附及氧化， 能导致基体活性迅速降 低。 所以， 利用 这种预处理来清理基休表而，并使其偏离同环境热力学平衡的状态，使表面原子的原 1 “ 间键游离，即化学活化基体。 ( 2 ) 喷砂处理使基体表面变得粗糙，这样能增加粗糙凸起处粒子的 接触温度，j 卜 相应地提高了 焊合段的总面积。 ( 3 ) 粗糙而的突起部分将仲入喷涂粒子之中， 造成涂层收缩的障碍， 从而使涂层 应变停比 在局部，以使涂层因应变产生的 应力减小。 ( 4 )和光滑表面相比， 粗糙表面具有较大的面积，即其同涂层的接触铜及其合金 除外面积比 较大，这也促进了 涂层结合强度的增加。 ( 5 ) 基休表面预处理， 对涂层和基体材料间接触处的 相互扩散也有影响.处理的 结果使从体表山层为组织缺陷 所饱和， 促进了 涂层和基休元素之问的扩散。 为了 提.郭 基体表面的化学活性，可以推荐在其中加入低键能的氧化物，如b o o . n 第3 ， 页 a 0 等。这些氧化物可以用离子熔合法加入基体表面。 4 . 1 .2 喷涂粒子能量状态对涂层结合强度的 影响及机理14 2 1 按照粒子的热焙来评价粒子储备的能量，比 按照温度要更为正确。热焙评定粒子 靠不同过程所积累的能量，如加热、熔化、相变和粒子材料之间不同类型的化学相互 作川。 难熔金属钨和钥在喷涂时， 其粒子具有最高的热烩 ( 在熔化状态下相应为3 1 和2 6 千卜 / 克分子)，不用专门的 表面处理 ( 铜及其合金除外) 就能保证 涂层同金属基体的 可靠结合。 在喷涂热焙低的金属时，为了得到类似的结果，必须在喷涂前将工件喷砂。然 in ， 尽管钨和钥的力学性能好， 对于在高温下， 在活性介质中工作都不能推荐它们作 为涂层或底层。它们在3 0 0 -4 0 0 时强烈氧化， 形成的 挥化性的气态氧化物将防护涂 层 “ 炸掉”。镍包铝粉是有前途的喷涂材料。由于镍包铝之间的放热反应，它在喷涂 时的 热烙能够达到接近钨和铂热焙的 数值 ( 当比 例为50%a1+500/qm时)。 涂层强度与喷涂距离的 关系，可以 清楚地说明喷涂普通材料和热反应材料时涂层 性能的变化。等离子体加热喷涂粒子，并且还传给它动能。如前指出，这两种形态的 能量都应用于主要目 的 一形成涂层及其同基体牢固结合. 在等离子喷涂时，粒子驱动 通常不超过2 0 0 米/ 秒，为了 得到更高的 粒子速度需要专门的工作方法和等离子喷枪结 构。 人们在实践中，总结的一些经验结果如下所示: 表4 - 1 高 速碰撞材料结合过程工艺参数对t l 14 3 1 过程 碰撞速度 米/ 秒 粒子状态基体热状态结合强度 爆炸喷涂 爆炸丝喷涂 爆炸焊 等离子喷涂 7 0 0 -9 0 0 6 0 0 -7 0 0 3 0 0 -4 0 0 1 0 0 -2 0 0 固态 液态 固态 液态 不预热 不预热 不预热 预热 中等 高 高 低 对比 这些过程的某些 特性表明， 增加碰撞速度提高了 涂层的结合质量和强度，同 时增加了 涂层与基体的结合面积。随着速度的增加，喷涂材料状态 ( 固态或液态)对 结合性能的影响 越来越小。 但是，应当指出，材料在结合区应当有足够的塑性，以便 碰撞时所产生的 应力来得及松弛，而不致于引 起破坏和裂纹。 通常，由于驱动气体加 热粒子 ( 爆炸喷涂)以 及由于碰撞时的放热， 过程自 动地保证基体足够的塑性。 按照 计算和实验的评价，材料在接触区的加热通常达到几百度 ( 5 0 0 -8 0 0 0c )。爆炸焊 时，甚至焊接相当难的金属如妮和钢时， 在结合区都可能产生局部熔化段。 评价粒子和冷基体牢固结合时的速度是很有意义的，这个过程对于不允许在空气 第3 8 页 ， ! ， 加热的工件特别重要。 利用粒子碰撞时压力降低活化能的 研究结果， 可以假设，当 熔融粒子的 速度为3 0 0 -5 0 0 米秒时， 实际上不用预热基体粒子就能够和任何材料制成 的1 ;# 体产生牢固结合。因此， 在等离子喷涂时力图 提高粒子速度。 4 . 2涂层界面应力数学模型的建立及求解 4 . 2 . 1 涂层应力值的推导 为了 简化复合涂层受力的力学模型， 规定受力体为具有等离子喷涂层的半平面 体，载荷垂直作用于涂层表面上，作用力为集中 力。并规定， 轴方向垂直于平面，轴 方向平 行于平面，即作用力分别关于 x 轴对称， 与 y 轴平行。 半平面体的范围为: ( 一 x s o c3c r i c h 十 扩卜 一 卜 十 一 十 ! . 十 斗 十 十 o 板 o “ rac o 川川1确讹 505 斗匀价0 十诊巩 t o 斗 一娜 去 4 3 2 月. ox 一 3_ 2 0000. 5050 1，12 -一- 十 刁卜十 夕户才 .汾/ 第4 3 页 第四章涂层系统应力分析及应用 。 吞 k,o 吞 。 !习呱 愉d 飞 令 。熟 500 一 ， o o钾( 、 。 ao e1 / e2=1 / 1 任 1 / e 2-1. 5/ 1 e ll e 2-21 1 0 , i o e , 。 。尸” 一 ( 人。 。 o 丫、 飞。 。 m 产 ) ， 、 o s cs 公官0六六竹.响魂- 二竹 一 六一 傀* r n脚你 234 j. o对 leses飞.!1!esjes4)冲eses汗leees.es. 4000 300 0 一愁 一r一- 一 任 1/ e 2-2. 5/ 1 e 1 / e2. e 1/ e 2 e 1 / e 2s4/1 资 o ijo k, o o 八 、 掩 ， 份 、 馆， rt 勺 飞) ， ， n ,xa ，一。 ，、 ， *七 st ,t 0 0 0 扮 也一、 介 000000一 of ) t 1 , 2 3 4 图 ( 4 - 1 - 1 ) 一( 4 - 1 - 4 ) 涂层界面应力计算图 ( 无过渡层) 上图中:( 4 - 1 - 1 ) 一( 4 - i - 2 )涂层界面剪应力计算图 ( 无过渡层) ( 4 小3 ) 一( 4 小4 ) 涂层界面压应力计算图 ( 无过渡层) x 一 横坐标代表界面水平位置。 ( 中点为外力作用处) ; y 一 纵坐标代表界面剪 ( 压)应力值 ( k p a ) ; 分析应力计算结果图 可知: ( 1 ) 在喷涂层受到外载荷作用时， 基体与涂层的 弹性模量值相差越小， 外力在涂层 与基体界面产生的剪应力就越小。为了 减小剪应力的值， 选择弹性模量较小的 喷涂材料， 有利于涂层的结合。 ( 2 )当基休与 涂层的弹性模量比为 1 : 1 时，其剪应力值约为4 0 k p a ， 当 它们的弹 j性模量比为4 : 1 时，其界面间产生的剪应力值约为4 8 0 k p a ，较之小弹性模量 的涂层，其剪应力提高 卜 倍以上。 ( 3 )在喷涂层受到外载荷作用时，基体与涂层的弹性模量比为 1 : 1 ，外力在徐层与 基体界面产生的压应力最小。随着弹性模量比的增加， 压应力也随之变大。当 第4 4 贾 第四章涂层系统应力分析及应用 弹性模量比大于2 . 5 以后，压应力值随弹性模量比的增大而呈振荡性变化。 ( 4 ) 在实际工作中， 一般希望采用较大弹性模量的 涂层。 因为大弹性模量涂层硬度 大， 承载能力强， 具有更好的耐磨性。 但是根据计算结果， 涂层的弹性模量值 越大， 界面剪应力值也随之增大。为了使涂层具有更好的工作性能， 必须对其 进行进一步研究。 第朽 页 第四章涂层系统应力分析及应用 4 .3 .2具有过渡层的 涂层的界面应力研究 采用弹性模量较大的涂层时， 虽然其表面工作性能强， 但由 于它与 基体的弹性模量 斗 i i比较大，外力作用下所产生的界面应力也比 较大，不利于涂层的结合. 近年来， 为了解决上述难点 处理的零件表面形成良好的结合 人们采用了 添加过渡层的办法。 能与光滑或经过粗化 称之为自 粘结材料。 喷过渡层的目的是增加面层的粘 结力， 尤以表而涂层是陶瓷脆性材料， 基休是金属材料的情况效果更为明显。 此时的目 的是为了防止因热膨胀不同、 热应力的作用下被破坏。 目 前常用的底层材料为镍包铝( 或 1j 包镍) ，称之为增效材料。它不仅能增加面层的结合，同时还因为在喷涂时能产生化 学反应生 成金属间化合物 ( n i 3 a l 等) 的自 粘结成分， 形成的 底层无孔隙且为冶余结合 i l r 以: j 保护基体，防止气体渗透使之腐蚀。 但是到目 前为止，尚 缺乏一种统一的标准来确定过渡层与工作层最佳厚度 比。在实际工作中，一般靠经验来判断工作层应有的厚度。 并且， 对工作层与过渡层、 过渡层与基体之间的弹性模量比，对涂层界面应力的影响缺乏论证。 以一 f 两节我们将针对上述两个问题，对涂层进行应力研究与结构参数优化。 4 . 3 .2 . 1 过渡层与工作层最佳厚 度比的确定 为了得到在涂层与基体之间添加过渡层后， 过渡层与工作层最佳厚度比 对涂层应力 的形响， 选取厚度比 的范围为: h l / h 2 = ( 1 : 11 : 9 ) 。计算结果如下图所示: cn eoa h 1 / h 2 =5 / 5 h 1 / h 2 =5 . 5 / 4 . 5 h t / 1 2 = 6 / 4 h 1 / h 2 = 6 . 5 / 3 . 5 0 0 0 0 0 0 令 000咖600400和 、0 0 0 0 0 0 全 - e o c , e c 1 .-1 a d 或 十 一卜 了 0000 00d0 -2-4七-8 一1 - 1 000, - 4 第肠页 第四章涂层系统应力分析及应用 十十.小岑.舜1|十|4 8 0 一r 叶 一门 一 - 一 1 一 一 一 一 ，一. 60 奋奋 喻介 . 产议 f农 尸 . 1 / h 2 = 1 / h 2 = 1 / h 2 : 7 / 3 8 / 2 9 / 1 40 20 + 代 价 0 0 0 0 0 0 0 0 0 o o o o o g b ao cc) e)0 o o o c)o o o o o恻眺 o , a o o o o 0 0 0 o o o (- )eo. 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 飞 气 。tr 、 、.产 厂 气 * * 杀 尸 令o d00 -2-4-6 jc - 8 0 +-4- 3- 2- 1 - 500 - 1 00 0 - 4- 3- 2- 1 第4 7 页 第四章涂层系统应力分析及应用 明|川1国|1引|司|引|1.川沐耳叭.|副 u0000000 u000q000 6000 5000 、2 图 ( 4 - 2 - 1 ) 一( 4 - 2 - 4 )涂层界面应力计 算图 ( 含过渡层) 上图中:( 4 - 2 - 1 ) 一( 4 - 2 - 2 ) 涂层界面剪应力计算图 ( 含过渡层) ( 4 - 2 - 3 ) 一( 4 - 2 - 4 ) 涂层界面压应力计算图 ( 含过渡层) x - 横坐标代表界面水平位置。( 中点为外力作用处) ; y 一 纵坐标代表界面剪 ( 压) 应力值 ( k p a ) ; 分析涂层应力计算结果图可知: ( i)涂层界 面 应力值 随 工作 层与 过渡 层的 厚度比 ( h l / h 2 ) 的 增 大而减小， 在设计 涂层 时应注意减小过渡层的厚度。 ( 2 ) 涂 层界 面 剪 应力 值 随 工 作 层 与 过 渡层 的 厚 度比 ( h l lh 2 ) 的 变 化而 变 化， 但 其 变 化 率并不均匀:当厚度比 为5 : 5时， 界面剪应力值达到5 3 0 0 ( k p a ) :当厚度比 为5 . 5 : 4 . 5 - 7 : 3 时， 界 面剪应力值锐减为5 0 0 ( k p a ) 左右; 而厚度比为8 : 2 - 9 : 1 时， 界面剪应力值降为2 0 ( k p a ) 左右。 ( 3 )合理的厚度比( h l / h 2 ) 约为8 : 2 ， 在这种情况下， 涂层界面剪 ( 压) 应力值仅 为无过渡层涂层的一半左右( 见图4 - 1 与4 - 2 ) . 并且工作层占 有较大的厚度比 例，因此又能保证涂层有较长的工作寿命 ( 耐磨损) 。 4 .3 .2 .2 工作层与基体最佳弹性模量比的确定 在添加了过渡层， 并确定了过渡层与工作层最佳厚度比后， 研究工作层与基体弹性 模r , 比对涂层界面应力的影响是非常必要的。规定:弹性模量比的取值范围为 l : 1 - 2 . 5 : 1 。过渡层与工作层的厚度比为8 : 2 a 计算结果如下图所示: 第4 8 页 第四章涂层系统应力分析及应用 2000 尸卜 卜 1500 - 1 00 0 - 1 500 - 2 00 0 - 2500 门|j|1|.l甲4 80 甲 一一钊一 一- 】一- -下 - - . 一 一妇 ， 一 一 -一 60 护 z r n _ r t rrj “ 、* 户六 飞 ,.t, 众 鲍 % 鲍 的 泌 沪 沪 砂 。 e1 / e2 =1 . 5 / 1 el / e2 =2 / 1 e1 / e2 =2. 5 / 1 40 2 0 坎。 娜 . 砂 甸 尽 妙 秒 尽 刁 。 二 - 2 0 气 穴 溉 户 刁 0 - 60 _ r( 0x 一8.-8 0 ,-4 1 3- 2- 1 第4 9 页 第四章涂层系统应力分析及应用 厂。夕 护笋 晒!叫les500les000les咧lojl甲soolteseses一 碑一 3-2一 1 图4 - 3工作层与基休弹性模量比 对界面应力的影响 图中: ( 4 - 3 - 1 ) 一( 4 - 3 - 2 ) 涂层界面剪应力计算图 ( 含过渡层) ( 4 - 3 - 3 ) 一( 4 - 3 - 4 ) 涂层界面压应力计 算图 ( 含过渡层) x 一 横坐标代表界面水平位置。 中点为外力作用处) ; y 一 纵坐标代表界面剪 ( 压) 应力值 ( k p a ) : 第犯 页 第四章涂层系统应力分析及应用 分析 ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) 计算结果图4 - 3 ，可得到以下结论: 当 工作层与 基体的弹性模量比为1 : 1 时， 其界面剪应力值出 现一个峰值， 高达2 0 0 0 ( k p a ) o 所以 在设计 涂层时， 应该避免工作层与基体的弹性模 量i 匕 为1 : 1 的这利 ， 情况。 与无过渡层的 涂层应力状态不同 之处在于， 具有中间 层的 涂层系统， 其界 面应力随涂层与基体弹性模量比的增加而减小。 当弹性模量比为2 . 5 : 1 左 右时， 界面剪应力值降为2 0 ( k p a ) . 压应力也减小为与无过渡层的涂层 压应力的1 1 3 左右。 计算证明: 在涂层与基体之间添加了过渡层以 后， 可以 选择较大弹性模量 的涂层， 并且在其间所产生的应力很小。 即可同时满足工作性能与工作寿 命的要求。 第s t 页 4 . 5小结 木章研究了 等离子喷涂层残余应力和热应力的产生及其对策、阐述了喷涂工艺对 涂层结合强度的影响、建立了涂层界面应力计算的数学模型。在计算结果的基础上， 得到了 涂层与 基体之间各种因素对界面应力的影响关系，并对涂层系统进行了结构参 数优化。其中一 些重要的结论如 : ( 1 ) 残余应力是喷涂热条件及涂层和基体材料热物理性能差别的结果， 通过一系 列的i 艺方 法可以 调节涂层中的 残余应力， 提高涂层强 度。 ( 2 ) 在涂层制造过程中， 要注意减小热应力。可以 通过增大接触温度以 及减小温 度降低速率，以使涂层热应力减小，增大涂层强度。 ( 3 ) 在无过渡层的 情况下，当 涂层受到外载荷作用时， 基体与涂层的弹性模量值 相差越小，外力在涂层与基体界面产生的剪应力就越小。但过小弹性模量的涂层承载 能力不强。 ( 4 ) 涂层界面应力值随工作层与过渡层的厚度比的增大而减小， 在设计涂层时应 注意减小过渡层的厚度。合理的厚度比约为8 :2 ，在这种情况下，涂层界面剪 ( 压)应 力值仅为无过渡层涂层的一半左右。并且工作层占有较大的厚度比 例，因此又能保证 涂层有较长的工作寿命 ( 5 ) 与无过渡层的 涂层应力状态不同 之处在于， 具有中间 层的涂层系统，其界面 应力随涂层与基体弹性模量比的增加而减小。当其弹性模量比为2 . 5 ; 1 左右时，界面剪 应力值降为2 0 ( k p a )。压应力也减小为与无过渡层的涂层压应力的1 1 3 左右。计算证 明: 在涂层与基体之间 添加了过渡层以 后， 可以 选择较大弹性模量的涂层，并且在其 界山 i ifi+1 所产生的应力很小，即可同时满足工作性能与工作寿命的要求。 挤， 2 页 第五章实验 5 . 1 等离子喷涂层界面及结 合强度实验研究 一 实验简介 直到目 前，热喷涂工艺在世界范围内 存在的首要问 题还是结合力不足的问 题，因 此影响了 它的推广。用来强化机件表面的涂层，通常称为工作层。 工作层的设计首先 要满足机件服役条件的要求. 在许多 情况下，由于工作层和基体理化性能相差太大， 其亲和性 ( 包括湿润性、 熔合性、 膨胀系数等) 都是不理想的。如果将熔融的粉末直 接喷到基体上，涂层结合强度一般不高。 本实验通过等离子喷涂的工艺实验， 考查了喷涂工艺、 ( n i/ a l ) 底层对涂层结合 强度的影响，并分析了涂层界面与涂层的微结构。 5 . 1 . 1 . 1实 验方法 实验喷涂方法分为三组， 求出在不同条件下涂层结合强度的变化规律。 ( 喷涂粉 末为wc - c o ): 第一组， n i/ a i 过渡层厚度分别为: 0 , 0 .2 m m , 0 .3 m m . 0 .4 m m , 0 .5 m m e 第二组，基休温度分别为5 0 c , 1 0 0 c , 1 5 0 c , 2 0 0 c , 2 5 0 c o 第三组，等离子喷涂距离分别为5 0 m m , 1 0 0 m m , 1 5 0 m m , 2 0 0 m m o 5 . 1 . 1 .2实 验过 程 涂层试片的制作: 用普通碳钢作基片， 尺寸为1 0 0 m m x 5 0 m m x 5 m m， 用氧化铝进 行喷砂预处理，再在基片上进行喷涂实验。 5 . 1 . 1 .3涂层 特性测定 涂层的特性测定是在几个不同的实验后完成的。影响涂层结合强度的主要是涂层 与基体之间的界面。采用纵剖法，涂层界面及显微组织观察是在扫描电镜上进行的。 涂层结合强度的评估是将试件放在高温加热炉中加热到6 0 0 c ， 然后将涂层取出空冷， 记 涂层抗热冲击的次数 ( 直至涂层出 现剥落或表面裂纹)。 二 实验结果 5 . 1 .2 . 1 第一 组实 验结 果 图 5 - 1 是表示w c - c o 涂层在有无底层及不同底层厚度情况下， 涂层结合强度的变化 清况。对于等离子喷涂涂层， 在无底层情况下，涂层的结合强度很小， 有的试样在室 温下即自 行脱落。当喷涂了 n i/ a l 底层后， 涂层结合强度显著提高。 但随着底层厚度的 增加，涂层结合强度急 剧降低。 第”页 5 . 2 高结合强 度导卫轮的研制与开发 一 引言 湘潭钢铁集团有限公司高速线材厂生产车问的线材轧机是从意大利达涅利公司进 的设各。 线材轧机上的导卫轮工作环境恶劣， 必须承受不规则的受力、摩擦与热循 环的冲击， 其工作寿命很短。经过儿年的生产， 进口导卫轮备用件已 基木用光，而原 有的普通喷焊导卫轮结合强度低，涂层剥落现象很严重，难以适应生产的需要。为 此， 湖南省科委联合湖南高程科技公司、中南工业大学开 展了 利用等离子喷涂技术制 造新型高结合强度导卫轮的研制开发工作。 经过近两年的实践，证明新型导卫轮大副度降低了导卫轮的生产成本，克服了普 通喷焊导卫轮结合强度低的缺点， 其使用寿命与进口 件持乎，满足了生产的需要.这 样，不仅解决了定购进口备件手续多、周期长等问 题，而且修复成本进为购进件的 1 0 % . 二 等离子喷涂的工艺流程 新型. . 结合