（材料学专业论文）等离子喷涂Crlt2gtOlt3gt8TiOlt2gt涂层参数优化及残余应力研究.pdf

攘 要 摘要 等离子喷涂技术在过去几十年的时间里得到迅速的发展和广泛应用。目前， 等离子喷涂技术的研究主要集中在提高喷涂质量、增加工艺稳定性、提高喷涂效 率等方面。 本课题对4 5 钢表面等离子喷涂c r 2 0 厂8 t i 0 2 涂层的粘结力进行研究，对影 响c r 2 0 3 - - 8 t i 0 2 涂层结合力的主要工艺参数进行正交试验，得出喷涂c r 2 0 3 8 t 1 0 2 涂层的优化参数；对不同厚度的涂层进行结合强度、涂层硬度以及孔隙率 对比研究，并采用m a r c 软件对涂层的残余应力进行了模拟分析。 4 5 钢基体上等离子喷涂n i c r a i 打底层和c r 2 0 厂8 砸0 2 工作涂层的关键喷 涂工艺参数：喷涂距离、电流、主气流量、辅气流量作正交试验，研究结果表明： 影响打底层n i c r a l 结合强度的参数主次关系为：主气流量 辅气流量 距离 电流。采用优化工艺参数喷涂的涂层结合强度达到7 6 6 m p a ，显微硬度为 3 2 l h v ，孔隙率为0 4 2 ； 影响工作层结合强度的参数主次关系为距离 电流 辅气流量 主气流量， 采用优化工艺参数喷涂的工作层结合强度达到2 9 2 m p a ，显微硬度为2 5 2 8 h v ， 孔隙率为3 8 0 ； 打底层对缓解陶瓷涂层与基体之间的残余应力有很大作用，采用优化参数直 接在4 5 钢基体上喷涂c r 2 0 厂8 t 1 0 2 涂层，涂层的结合强度为1 5 0 m p a ：在4 5 钢基体上先喷打底层，再喷c r ：0 3 8 研d 2 涂层，涂层的结合强度为2 9 2 m p a ， 结合强度提高了近一倍。 系统地研究了涂层厚度与涂层结合强度、硬度、孔隙率关系，研究结果表明： 涂层厚度增加，结合强度减小；涂层厚度增加，硬度随之减小；涂层厚度增加， 孔隙率增加。 建立了模拟涂层残余应力的数学模型，通过模拟得出：打底层中的径向、轴 向、切向应力均为拉应力，而径向应力是最主要的应力；打底层工作层中的径 向、轴向、切向应力均为压应力，径向应力是最主要的应力。 关键词：等离子喷涂；结合强度；n i c r a i 涂层；o r 2 0 3 需t i 0 2 涂层； 正交试验；应力模拟 河海大学硕士学位论文 a b s t r a c t n 圮p l a s m as p r a y i n gh a sd e v e l o p p e dr a p i d l yi nt h ep a s td e c a d e s a tp r e s e n tt h e r e s e a r c h e sm a i n l yf o c u so nt h ei m p r o v i n go f s p r a y i n gq u a l i t y , s t a b i l i t y , e f f i c i e n c y , e r e t h i ss u b j e c ta i m st os t u d yt h eb o n d i n gs t r e n g t ho fp l a s m as p r a y e dc r 2 0 3 - - s t i 0 2 c o a t i n go n4 5s t e e l ，t og e tt h eo p t i m i z a t i o np a r a m e t e r st h r o u g ht h eo r t h o g o n a l e x p e r i m e n t ，a n dt oa n a l y z et h em a i np a r a m e t e r st h a tm a y a f f e c tt h eb o n d i n gs t r e n g t h t h eb o n d i n gs t r e n g t h , h a r d n e s sa n dp o r o s i t yo fc o a t i n g sw i t hd i f f e r e n tt h i c k n e s sa r e i n v e s t i g a t e d , a n dt h er e s i d u a ls t r e s sh a sa n a l y z e db yt h eh e l po fc o m p u t e rs i m u l a t i o n s o f b v a r em a r c 硼”b r i e f c o n c l u s i o n sa r es t a t e da sb e l o w ： a no r t h o g o n a le x p e r i m e n tw a su s e dt o i n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c eo fs p r a y i n g d i s t a n c e ，e l e c t r i c a lc u r r e n t ，p r i m w yg a sf l o wr a t ea n ds e c o n d a r yg a sf l o wr a t eo n t h ep l a s m as p r a y i n gn i c r a ib o n d i n gc o m i n ga n dc r 2 0 3 8t i 0 2w o r k i n gc o a t i n g s n 屺s e q u e n c eo ff a c t o r st h a ta f f e c tt h eb o n d i n gs t r e n g t ho fn i c r a ic o a t i n g si s ： p r i m a r yg a sf l o wr a t e ，s e c o n d a r yg a sf l o wr a t e ，s p r a y i n gd i s t a n c ea n de l e c t r i c a l c u r r e n t t h eo p t i m i z e dc o a t i n g sh a dab o n d i n gs t r e n g t ho f7 6 6 m p a 。p o r o s i t yo f o 4 2 a n dm i c r o h a r d n e s so f 3 2 l h v t h es e q u e n c eo ff a c t o r st h a ta f f e c tt h eb o n d i n gs t r e n g t ho fc r 2 0 3 8 币0 2 c o a t i n g si s ：s p r a y i n gd i s t a n c e ，e l e c t r i c a lc u r r e n t ，s e c o n d a r yg a sf l o w r a t ea n dp r i m a r y g a sf l o wr a t e 1 1 l eo p a m i z e dc o a t i n g sh a dab o n d i n gs t r e n g t ho f 2 9 2 m p a ，p o r o s i t yo f 3 8 0 a n dm i c r o h a r d n e s so f 2 5 2 8 h g b o n d i n gc o a t i n gc a r lr e l e a s et h er e s i d u a ls 拄e s sb e t w e e nt h es u b s t r a t ea n dt h e e c r a n l i cc o a t i n g t h ec e r a m i c sb o n d i n gs t r e n g t hc a l lc h a n g ef r o m1 5 o m p at o 2 9 2 m p ab ys p r a y i n gab o n d i n gc o a t i n go ns u b s t r a t ei n s t e a do fs p r a y i n gac a a l b i c c o a t i n gd i r e c t l y a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so ft h ec o a t i n g st h i c k n e s sb e t w e e nb o n d i n gs t r e n g t h ， m i c r o - h a r d n e s sa n dp o r o s i t y ，t h er e s u l ti s ：b o n d i n gs t r e n g t ha n dm i c r o - h a r d n e s s d e c r e a s e da sc o a t i n g st h i c k n e s si n c r e a s e d ，w h i l ep o r o s i t yi n c r e a s e da sc o a t i n g s t h i c k n e s si n c r e a s e d h 塑塑奎堂堡主堂壁垒奎 am a m e m 撕c a lm o d e li sd e v e l o p e dt os i m u l a t et h er e s i d u a ls t r e s so f t h ec o a t i n g s i ts h o w st h a t , i nb o n d i n gc o a t i n g , t h er a d i a ls t r e s s a x i a ls t r e s sa n dt a n g e n t i a ls t r e s sa r e d r a ws 鼢s 柚dm er a d i a l5 t l c s si st h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r ；i nc e r a m i cc o a t i n g , 也e m d i a ls t r e s s a x i a ls t r c s sa n dt a l g e b t i a ls t r c s sa r ep r e s ss t r e s s ，a n dt h er a d i a ls t r e s si s t h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r k e yw o r d s ：p l a s m as p r a y i n g ；b o n d i n gs t r e n g t h ；n i c r a ic o a t i n g ； c r 2 0 广一8 t 1 0 2c o a t i n g ；o r t h o g o n a le x p e r i m e n t ；s t r e s ss i m u l a t i o n m 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明 2 0 0 7 年月日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授 权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：2 0 0 7 年月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 等离子喷涂是获得零件表面功能涂层的有效手段，具有生产散率高、涂层质 量好、适用材料广、成本低等优点。近十几年来，应用发展很快，已广泛应用于 核熊、靛天靛空、石像、橇羧裁造等矮域。毽怒，等离子喷涂王慧避程复杂，影 桶戳索缀多。影确涂瑟璇爨的不仅是涂层毒手辩本身豹性质，狠犬糕度上取决于喷 涂工教。喷涂工艺的合理性评定主要是检测涂朦与基体的结合强度、涂层的孔隙 率以及喷涂沉积效率等。由于涂层的失效主要发生在基体与涂层的结合面，所以 涂层与基体鲍结合强度楚译定涂层质量的重簧辫标。 浆穗等离子嚷涂褥爨蠢嚣| 瘗毪、瓣瘸 蠹拣、耐寒瀑毪懿鬻瓷枣孝糖与其有裔强 韧性、阿加工性、导电导热性的金属材料有机士觑结合起来，发撵两类材料的综合 优势，获得理想性能的复含材料【i 】，同时满足机械产品对结构性能( 强度、韧性 等) 和环境性能( 耐磨、耐蚀、耐高温等) 的需鬃。自热喷涂发明以来，各国集中了 大羹鹣久力、物力鼹等凑孑喷涂晦瓷涂层戆翱务工艺、佳能窝应怒透露了一系襄 盼瞬究，取得了弓i 入瞩秘酌成果l 卅。在美国辫瓷涂层的应用年增长率高达i 5 3 0 ，尤其在航空、航天、发动机、汽车和化学正业领域【8 9 1 。然而随着科学技术 发展，对等离子喷涂陶瓷涂层的性能要求也程不断提耐1 0 “1 i 。 1 2 等离子喷涂技术概述 1 2 1 表面工程概述 袭面工程的概念是在1 9 8 3 年由一位英国教授t b e l l 首先提出的，经过二十 几年的迅猛发展，已成为先进制造技术( a 1 4 t a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g y ) 静重要组戏帮分，霆2 l 整笼羔娩发震静关键技术乏一。 寝酾工程，是材料袭丽缀预处理后，通过袭面涂覆、表面改蚀威多种表面工 程技术复合处理，改变固体众属表面或非金属袭面的形态、化学成分、组织结构 和应力状态，以获锓所需鼗表蕊性能的系统工程f 埘。当今工业现代他的发展对各 河海大学硕士学位论文 种设备零部件表面性能的要求越来越高，特别是在高速、高温、高压、重载、腐 蚀介质等条件下工作的零件，其材料的破坏往往自表面开始，诸如磨损、腐蚀、 高温氧化等，表面的局部损坏又往往造成整个零件失效，因此，改善材料的表面 性能将有效地延长其使用寿命，降低生产成本。表面工程的最大优势就是能够用 多种方法制备出高于基材性能的表面功能薄层，使工件获得更高的耐磨性、抗腐 蚀性和耐高温等性能。据统计，采用表面工程技术处理的费用仅占产品价格的 5 1 0 ，由于产品的性能得到大幅度的提高，平均效益可增加5 2 0 倍以上。 当代表面工程的发展以复合表面技术的应用、特种功能涂层的开发和新型涂 层材料的研究为方向，且应用领域进一步扩展，生产向自动化和智能化迈进。 作为表面工程的技术基础，表面技术一般可分为表面改性技术、薄膜技术和 涂层技术三大类，按表面层形成的原理相应分为三束( 电子束、离子柬和激光束) 改性，物理气相沉积( p v d ) 和化学气相沉积( c v d ) ，堆焊及热喷涂等。热喷涂 技术由于其涂层成分和厚度易于控制、对工件尺寸和形状限制小、工效高等优点， 在实际应用中受到人们的普遍重视。 1 2 2 热喷涂发展简史 作为表面工程中一种重要的表面技术，热喷涂是通过火焰、电弧或等离子体 等热源将某种线状或粉末状的材料加热至熔化或半熔化状态，并通过气流欧动使 其雾化并高速喷射到经过预处理的基体表面，以形成喷涂层的表面加工技术。热 喷涂技术的产生和应用已有近百年的历史。早在1 9 1 0 年，瑞士的工学博士 m u s c h o o p 发明了固定式坩锅喷涂装置，可将低熔点金属的熔体喷射在工件表 面上形成涂层，从而诞生了热喷涂技术【1 3 l 。随后几年，喷涂装置进一步改进，实 用的线材火焰喷枪和电弧喷枪先后于1 9 1 2 年和1 9 1 6 年出现，热喷涂技术得到了 发展。1 9 4 0 年美国人发明了氧乙炔粉末喷枪，大大扩展了喷涂材料的范围。5 0 年代，随着空间技术的发展，对喷涂材料和涂层质量的要求越来越高，等离子喷 涂和爆炸喷涂工艺相继出现。到了6 0 年代，热喷涂技术趋于成熟，喷涂设备和 材料向着系列化和标准化迈进。7 0 年代，各种大型高能等离子喷涂设备的研制 成功，使生产效率和涂层质量得到进一步提高。超音速火焰喷枪在8 0 年代被研 制成功，把热喷涂技术推上了新的高度，应用领域更加广泛【1 4 】。根据有关资料介 绍，近年来美国和日本的热喷涂行业总产值己分别达到了2 0 亿美元和8 0 0 亿日 2 第一章绪谂 兀 1 2 3 等离子喷涂基本原理 譬囊予喷涂技术是掰气体电离产生的热爨将金属或菲金属粉来燕热到熔化 或半络纯获态，莠箍齑遴气流喷瓣羁工释表嚣，形成覆盖层，汉掩离工箨辩疆、 耐磨、耐热等性能的表面置程技术，是现代袭面技术中最重要的缀成部分t 1 5 l 。等 离子喷涂以喷涂粉末材料为主，可喷涂几乎所有难熔的金属和非金属，其具有喷 涂效率离，涂层致密性好，结合强度高等优点，晨基材表面的热影响区小。 簿凑予喷涂援零是夔麓瑗鼗蓑空工整秘字靛技零懿发展在2 0 鬟纪5 年我孛 期出现豹【嘲，从那以后，人们对等离子喷涂披零，包括喷涂设备、磺涂工艺、喷 涂材料和喷涂质保体系等，进行了不断的研究和发展，加上电子和计算机技术、 自动化技术、传感器及测试技术、机器人技术、囊空技术、新的涂腰材料等先进 技术豹渗透和改进，馒等燕子赜涂技术取得了飞速懿发展，其应瘸秘j 凌广泛f 玎l 。 嚣翡等离子喷涂技术不仅农航空航天工业起饕獯耍豹作用，嚣量袭蒺绝豹工盟邦 门如机车车辆、电力、冶众、化工、机械、纺织、医药卫生等都得别了广泛的应 用1 1 8 制。 等离子喷涂是采用掰h 住非转移型等离子为热源，以喷涂粉末材料为主的热喷 涂方法。喷稔戆电援( 骥辍) 秘饕捷霸投) 分爨接整滚趣派嚣受、蓬援，彝喷猃供 给工作气体，通过高频火藏弓l 燃屯弧，气体被加热到很高的温魔( 约1 5 0 0 0 k ) 丽 电离，在机械压缩效应、融磁压缩效应和热聪缩效应的作用下，从喷嘴喷出，形 成高溆黼速等离子射流。邀粉气流推动粉末进入等离子射流后，被_ j 毽速加热和加 速，形成络融或半熔融豹敬予索，撞击到经鬏簸溪豹基耪表瑟，在蒸体表嚣滚敬、 交形、凝固，后来瓣熔融歉予又在先裁凝霆的靛子上层瑟叠压，形袋涂层。 1 2 4 镣离子弧的特点 ( 1 ) 温度高，能量集中。等离子最大特点之一是具有非常商的温度和能量 密度。麓离子足乎能溶化掰窍鹣金属和菲金麟，霹以获得离的生产效率，减少工 释熬变形程熬影璃区。 ( 2 ) 焰流速度快。谶入喷枪中的工作气体被加热到上万度高温，体积剧烈 膨胀，因而等离子焰流自喷枪中高速喷出，在喷嘴附近的喷射速度可达亚音速或 超音速，具有很大的冲击力，这对喷涂工艺非常霄利。 3 河海大学硕士学位论文 ( 3 ) 稳定性好。由于等离子是一种压缩型电弧，弧柱挺拔、电离度高，因 而电弧位置、形状以及弧电压、弧电流都比自由电弧稳定，在弧柱较长时仍能保 持稳定燃烧，没有自由电弧易于飘动的缺点，不易受外界因素干扰，这对保证喷 涂的质量有重要意义1 。 ( 4 ) 调节性好。压缩型电弧可调节因素较多，可以在很广的范围内稳定工 作以满足各种电弧等离子工艺的要求。例如，变换工作气体的种类可以得到氧化、 中性或还原气氛：改变喷嘴尺寸、控制气体流量、调节电压参数可以控制等离子 的刚柔性，以保证在喷涂时获得焰流速度高、冲击力大的刚性等离子【2 4 1 。此外， 通过调节等离子喷涂设备的电功率可灵活地调节焰流温度和喷射速度，以适应不 同材料的需要。 1 2 5 等离子喷涂陶瓷涂层特点 与整体结构陶瓷材料相比，等离子喷涂陶瓷涂层技术具有如下特点【l 】： ( 1 ) 能有机地把金属材料的强韧性、可加工性、导电导热性能和陶瓷材料的 耐高温、高耐磨、高耐蚀等等特点结合起来，发挥两类材料的综合优势，同时满 足机械产品对结构性能( 强度、韧性等) 和环境性能( 耐磨、耐蚀、耐高温等) 的需求，获得相当理想的复合材料结构。 ( 2 ) 能够用于制造陶瓷涂层的材料品种很多。 ( 3 ) 功能广。能够采用不同的热喷涂工艺，喷涂各种陶瓷涂层材料，获得各 种功能的表面强化涂层，如耐磨、减磨自润滑、耐腐蚀、耐高温、绝缘催化和生 物功能等，功能极广，广泛用于国民经济各部门。 ( 4 ) 能够在多种基体材质上制备陶瓷涂层。 ( 5 ) 物耗少，物流小，附加值高，经济效益突出。 ( 6 ) 陶瓷涂层沉积速率较快，涂层厚度可控。 ( 7 ) 陶瓷涂层的可加工性好，且涂层损坏后，金属基体还可以再使用，再喷 涂陶瓷涂层。 ( 8 ) 成型容易。能够在薄壁件、空心件和异形件表面喷涂陶瓷涂层，也可实 现制品局部喷涂陶瓷涂层强化。 ( 9 ) 容易与原有金属加工的工装条件结合，实行企业的技术改造。 除了上述一些优点，等离子喷涂也有其缺点，如喷涂作业环境差，粉尘污染 4 纂一章缝论 严重，喷涂材料利用率低等。 1 2 6 等离子喷涂涂层形成过程 麓舞予涂藩戆形成避程蹇簧是：囔涂李葶科经熬热薅诬 5 7 3 k ) ，溅射不再发 生，熔滴的扁平粒子呈规则的圆盘状。王引真等人f 7 0 1 研究了c r 2 0 3 涂层性能与等 离子喷涂工艺稳定性的关系，结果表明：影响涂层性能及其稳定性的最重要的工 艺参数是电弧电流，其次为涂层厚度；电弧电流和涂层厚度之间有一定的交互作 用。 1 3 4 涂层残余应力与残余应力模拟的研究 等离子喷涂时，残余应力的形成是个复杂的过程，基体和涂层的厚度、涂层 原料的组成、喷涂速率、喷枪的距离等诸多因素都决定了最终残余应力的结果。 一般来说，喷涂时涂层的形成可分成3 个阶段【7 1 7 2 1 ：第l 阶段为涂层的凝固过 程，由于熔化的涂层物质与基体温度有一定的温差，所以涂料凝固在基体表面； 第2 阶段类似第l 阶段的重复，所不同的是基体上已覆盖初始冷却的涂层，同时 新的一层又凝固伸长；第3 阶段是在喷涂结束后，熔融的涂料已冷却为固体的涂 层，整个涂层系统冷却到室温的过程。在这个过程中，由于基体的热膨胀系数大 于涂层的热膨胀系数，所以收缩量要比涂层大，这最终会在涂层中产生残余应力。 以上3 个阶段合在一起就决定了涂层系统的残余应力。从喷涂过程可知：第1 阶 段包括第2 阶段，粉料从熔融状态凝固为固体，过程菲常复杂，其物理过程与第 3 阶段不完全一致。熔融的涂料在凝固成固体涂层时，基体从涂层中吸热膨胀， 由于这时固体涂层还未完全形成好，同时基体原来就加热在很高温度，因此该热 膨胀量不应很大，可认为在热膨胀的过程中未受到约束；同理对涂层来说可认为 此过程基体和涂层内未产生内应力，是应力自由的。这样可忽略第1 、2 阶段对 残余应力的影响。据以上所述，使得残余应力可进行分析的核心是：残余应力的 产生是由于已形成固体的涂层与基体在从高温的无内应力状态冷却到室温时，其 热膨胀不匹配而造成的。 涂层形成是一个颇为复杂的、带相变的流动与传热过程，目前已进行过许多 第一章绪论 理论岛寅验研究，但远未研究清楚。多数研究涉及熔融颗粒撞击袭丽时的流动与 传热特性以及形成的摊片尺寸和颗粒参数( 大小、温度、速度、撞潞角度等) 间的 关系，对涂层形成过程本努所进行的模拟研究羔作还很少，也远来完善1 7 3 7 4 】。 张驻程等久f 5 獗究了麓离子暖浍沉菝_ 遭稳写残余应力分辑，磷究试为淀菝遂 程可分为三个阶段( 1 ) 涂藤在基体表面的凝潮过程；( 2 ) 基体载菔已经冷却的 涂层，佩同时有新一薄层的凝固伸长；( 3 ) 整个涂层系统冷却。对残余应力的分 析表明残余应力的产生与喷涂工艺的选取、颗粒沉积过程、材料传热过程等有着 密切瓣联系，残余应力黪童要形式罄为经自瘦秀，涂瑟懿癸錾会遮藏一定戆应秀 集中珑象，喷涂屠豹冷却辩嗣对整个系统肉_ 残余应力值豹大小有影确，但对应力 状态与形式没有影响【7 6 朔。g h a f o u r i - a z a r 等1 7 s 采用有限元数值模拟考察了涂层 横截顾中的残余应力分布绪果表明，残余应力对涂层的厚度和租糙度很敏感，最 大残余痰力位于基体秘涂滋的结合处，是涂层秘鏊体裁离的主要部僚，增秘租糙 度，邋当增鸯珏涂层数蠢，蠢效缝降蘸残余疲力。 藏镥等人f 7 9 1 采用热弹蚀有限元方法研究了用等离子喷涂方法制备的涂层，结 果发现，依据通过有限元分析得到的结果，进行功能梯度热障涂层的设计，其界 面残余热应力褥到有效缓和。张显程等人f 舳l 采用寄限元方法研究了镣离子涂层形 或过耩审懿熬力学行为茨及残余瘟力懿分毒，缝莱表臻：壶予涂鬣与蓥薅豹熬澎 胀系数不匹配等原因，程羿箍等区域存在严羹的应力集中。涂层与基体厚度比、 中间艨以及喷涂过程的冷却速率对残余应力水平有很大影响。涂层内部关键区域 的残余威力水平，随着涂层厚度增加而增加。但是涂层与基体厚度比不能改变涂 层内部懿疲力分布形态。张鼹程等入i s l l 采用蠢羧元舞态热分拆方法辩譬枣子喷涂 过程豹滠度场进行了分耩，结果发现：等离予搂涂在基俸与涂层肉酃务残余应力 的诱发，在涂层内产生残余挝应力，而基体内的应力状态较为复杂，在界面附近 产生臌威力，随着涂层厚度的增加，就有了压威力向拉应力转化现象；减小涂层 厚度时，基体内应力状态燮化梯度减小，两且端覆处的拉应力减小，丽涂层内的 痤力黛纯苓大。鬟教，京镣舞子凑涂过程孛，程搽证续涂效采爨毳蓼箍下，爨量减 小涂艨厚度。 相荚的研究主要集中张对一定厚度涂层的残余应力的模拟方筒，而对不同厚 度涂臌的残余应力模拟研究较少，本文针对予此，对不同厚度打底层以及在打底 层簿发一定霹不囿厚度王终屡迸孬了残余应秀溪狻，簿残余应力骰一擅骞蓝黪蛰 河海大学硕士学位论文 充与扩展。 1 3 5 等离子陶瓷涂层的发展趋势 等离子喷涂陶瓷层作为一种先进的工业技术，在表面处理工业中地位越来越 重要，应用范围也在随着高新技术的发展而不断拓展，但仍存在下列有必要作深 入系统的研究问题【4 】： ( 1 ) 与现代计算机技术相结合，通过对工艺参数、材料的规范化，建立规范 的等离子喷涂陶瓷涂层的质量保证体系，从而实现工业化批量生产的产品的质量 可靠性、稳定性和重现性。 ( 2 ) 由于目前研究者的结果的显示涂层与基体的结合力较低，所以寻求能有 效地提高陶瓷涂层同金属基体界面的结合力问题的工艺与方法以及低成本、高效 率获得无缺陷涂层的工艺成为当前很紧迫的问题。 f 3 ) 等离子或等离子火焰产生时，发出强烈的噪声损伤操作人员听觉器官， 并辐射出红外、紫外线等对人眼、皮肤伤害极大，因此需研究开发出能有效防止 光辐射、高噪音、有害衍生气体、粉尘及有害物质的新型等离子喷涂机，因而可 从根本上改善工作环境。 ( 4 ) 等离子喷涂过程的数值模拟。用现代计算机技术和仿真技术，模拟等 离子喷涂过程和涂层的成形、凝固冷却过程，为精确控制等离子喷涂过程提供科 学手段。 1 4 本文选题意义和主要研究内容 金属材料的腐蚀、磨损每年都会造成巨大的损失，而传统的防腐蚀、耐磨方 法不仅效果差，性能价格比低，生产过程污染大。所以研究开发新型、高效、 节能环保的等离子表面喷涂技术有着很大的技术经济和社会效益。 采用等离子喷涂技术对材料表面处理是一种很有发展前景的表面技术。通过 几十年的研究、应用，已经取得了很大的进步与成果，特别是等离子喷涂陶瓷涂 层，已经广泛应用于宇航、电力、石油化工以及机械工业中，用等离子喷涂陶瓷 涂层替代镀铬的研究也取得了一定的进展。随着离子喷涂陶瓷涂层的日益广泛的 应用，一定会为我国的经济发展、环境保护做出贡献。 本课题拟对等离子喷涂陶瓷涂层的粘结力进行研究，对影响陶瓷涂层与基体 粘结力的主要工艺参数进行正交试验，找出喷涂陶瓷涂层的优化参数，探讨提高 1 4 第一章绪论 涂层粘结力的方法，对不同厚度的涂层进行结合强度、涂层硬度以及孔隙率对比 研究，并用计算机对涂层的残余应力进行了模拟分析，为提高涂层与基体的结合 力进一步提供理论依据。 本文的主要研究内容如下： 1 、喷涂工艺参数与涂层结合强度之间相互关系 对打底层和工作层的喷涂参数进行正交试验，寻找等离子喷涂打底层和工作 层的优化参数，并分析各参数对涂层结合强度的影响规律。 2 、涂层厚度与结合强度、硬度、孔隙率的相互关系 采用优化工艺参数喷涂不同厚度的打底层与工作层，定量地分析涂层厚度与 结合强度、硬度、孔除率之间的相互关系。 3 、涂层残余应力模拟 应用m a r c 分析软件，对涂层残余应力进行模拟，分析涂层残余应力的大 小与分布规律。主要模拟内容有： ( 1 ) 不同厚度打底层的残余应力大小及分布规律。 ( 2 ) 保持打底层厚度不变，工作层厚度对涂层残余应力的大小和分布进行 分析。 河海大学硕士学位论文 第二章试验材料、方案及设备 2 1 试验材料 涂层的性能与涂层制作的工艺和涂层材科的性能密切相关，喷涂技术的发 展与喷涂材料的发展互相促进紧密相关的。原则上，只要在一定温度下不升华， 不分解的固体材料均可用作喷涂材料。 2 1 1 基体材料的选择 4 5 钢在工程中的应用很广泛，本试验选择4 5 钢作为基体材料，其化学成分 和物理性能见表2 1 。 表2 14 5 钢化学成分和物理性能 化学成分 c s im n c u ps f e m a s s o 4 2 , 4 ) 5 0o 1 7 加3 70 5 0 - - 0 8 0 0 2 50 0 3 50 0 3 5余量 密度线膨胀系数热传导系数 弹性模量屈服强度 物理性能t m 3。c 1j m m - t s - 1 1 g p am p f l 7 8 5 1 1 5 1 0 。6 0 0 4 82 0 63 5 5 按照美国材料试验协会热喷涂涂层结合强度标准a s t 眦6 3 3 0 l ，基体试样尺 寸为圆柱体巾2 5 4 r e x 3 0 m m ，如图2 1 。 2 1 2 涂层材料的选择 图2 1 基体试样尺寸 2 1 2 1 涂层材料的选择原则 y w g u 等人【8 2 1 提出：涂层材料的种类对其性能影响很大，在选择涂层材料 时，应遵循以下原则： 1 6 磐二章实验誊| 辩、方察发竣蚕 ( 1 ) 熔融态的涂层材料对基体具有较好的润湿性。 ( 2 ) 涂层与基体材料的晶体结构匹配，减少界面残余应力和热熊损失。 ( 3 ) 喷涂材辩粒子具蠢热活亿作用和离潺物化稳定性原则，舆嚣了获得高质 耋涂藤熬鍪要条 孛。 2 1 2 2 打底层材料的选择 为了获得良好的界面结合强度、小的热应力，致密性高的涂层，喷涂工艺的 基本癸求为：首先，选择禽遗的涂层材料，使滁层与基体有较好的浸润性和相容 毪，这撵辫着力方大；其次怒被喷涂夔粒子蘩东低渥下套褰熬飞符邃瘦，动麓大， 确保留基体有良妊结合，以及沉积粒子之闯的怒好结合，同时焰流温度高，速度 快，敉予受空气气氛影响小，涂层产生压应力镣。由于涂层和金属藏体的热膨胀 系数、杨氏模量、导热率等物性参数始终有一定的差异，在制备涂屡和涂层在使 用避糕巾均会产生较大鸵热应力，扶露导致耪糕健髓降低f s 3 l 。为了泼萋涂层和基 髂弱裙理裰容往，零霞基雩搴襄涂层阕热一层龛耩鞍结底层或过渡艨粕成多瑶涂 层。 4 5 钢基体与陶瓷涂朦材料在化学键、晶体结构和热物理性能方面有很大的 差别，为了降低涂层与基体之阕的内应力，在然体与陶瓷涂层之阈兔喷涂性能介 予嚣纛之蠢戆麓缝层，瓣予缓解痰瘟力存缀大露雳，嚣魏，在壤涂辫瓷涂层蔫， 先表蕊嚷涂一层打底层。 对于打底层材料有如下蒙求； ( 1 ) 能与金属基体袭面形成牢固的结合，最好有冶金结合。 ( 2 ) 熊形或致密憨捩缀纯、瓣腐蚀涂瑟，转建裹瀣下氧气或瘸镀奔质逶迄 涂瑶孑0 豫侵入，保护基体众羼不被氧纯弱黯饿。 ( 3 ) 能形成粗糙的打底层表面，表面粗糙度甚至超过喷砂预处理后的粗糙 度，以利于提高工作层与打底层之间的结合强度。 ( 4 ) 努底层材料的热物理性能特别是热膨胀系数和热导率，簧分子基体金 藩秘工俸层之蠡，驻减少熬彩涨豹差鬟窝不嚣辩毪，薄甄涂瑟残余寝力。 本试验打底层采用n i c r a l 粉末，由北京矿冶研究总院金属材料研究所生产， 其成分见表2 2 。 1 7 河海大学硕士学位论文 l k f - 1 1 0 l 1 7 1 9 c r ，5 5 巧5 a 1 ，余量n i l 1 4 0 + 3 2 5 l 在等离子焰的高温下，金属组元n i 、c r 、a 1 之问发生强烈的放热化学反应， 生成金属间化合物，释放出大量的热能提高了喷涂粒子的热焓，提高基体表面的 温度，从而延长熔融粒子的凝固时间和降低急冷速度，有利于获得微区的界面扩 散而形成冶金特性的自粘结效应，显著提高底层与基体的结合强度。 2 1 2 3 工作层材料的选择 陶瓷涂层材科是继有机树脂涂层材料、金属及合金涂层材料之后涌现出来 的一大类非金属涂层材料嗍。陶瓷材料是由金属和非金属单质或元素组成的具有 关价健、离子健或混合健结合特性的晶态或非晶态无机非金属材料的总称。陶瓷 涂层材料品种多，包括各种氧化物、碳化物、硅酸盐及金属间化合物。涂层功能 具有广泛性，在热喷涂行业有着广泛的应用【8 5 1 。 为得到最好的涂层性能，对工作涂层材料有如下的要求： ( 1 ) 首先必须满足对涂层的使用工况要求，如耐磨、耐高温、耐腐蚀、绝 缘、耐热震等。 ( 2 ) 在喷涂的高温焰流中，具有良好的热稳定性和化学稳定性。不会发生 氧化、挥发、升华等。 ( 3 ) 与基体材料或者打底层材料有良好的性能匹配关系。这些匹配关系包 括：对基体或底层的润湿能力；热物理性能如热膨胀系数、热导率等；电化学性 能如电极电位。 ( 4 ) 不会与基体发生有害的化学反应。如酸性氧化物和碱性氧化物涂层之 间不可匹配使用。 ( 5 ) 粉末材料应满足喷涂工艺要求。粉末应清洁、干燥，其流动性、粒度 和粒度分布、松装密度等应该符合工艺要求。 本试验工作涂层材料选用c r 20 _ 厂一8 t 1 0 2 ，粒度：2 0 0 + 4 0 0 目，由沈阳尚 品磨料有限公司生产。c r 2 0 3 具有优异的耐蚀性能，化学性能十分稳定，不溶于 酸、碱、盐及各种溶剂，对大气、淡水、海水以及光极为稳定，且c r 2 0 3 硬度很 高，加入一定量的t i 0 2 后，会使c r 2 0 3 粉末喷涂沉积率提高，与基体的结合力强， 涂层更加致密，耐磨性能显著提高，且使涂层容易进行磨削加工，是一种常用的 1 8 第二章实验材料、方案及设备 等离子喷涂涂层材料。 2 2 试验方案 2 2 1 等离子喷涂工艺流程 等离子设备多种多样，工艺参数千变万化，但基本工序、流程是一样的，首 先必须把涂层材料熔化、雾化，然后以一定速度喷射到经过预处理的基体表面形 成涂层。各种工艺的工序流程基本包括基体的准备和制备、基体的预处理、喷涂 操作、涂层后处理等步骤 8 6 1 。本试验采用美国p r a x a i r 公司生产的3 7 1 0 等离子喷 涂系统，其工艺流程见图2 2 所示。 基基 体体 准 预 一) |基体遮蔽、工装l 七 喷涂 备处一一一一广 涂层 理 操后 作处 喷涂材料的准备 = = 令 理 图2 2 等离子喷涂工艺流程 2 2 2 等离子喷涂涂层系统设计 等离子喷涂涂层系统设计决定着涂层的质量和零部件的最佳应用效果。涂层 设计是一个系统工程，从设计开始，就要对整个喷涂工艺流程进行细致而全面的 考虑。首先，应根据部件的使用工况条件及失效分析，确定对喷涂涂层的性能要 求，从而选择合适的涂层材料、设备和工艺；其次，对喷涂操作工序的设计，包 括基体的准备和表面预处理，工艺参数优化，喷涂作业，涂层后处理，到最后的 质量检验等。 等离子喷涂涂层的性能主要取决于喷涂材料的性能和喷涂工艺。不同涂层材 料，得到的涂层性能会不同。同一种涂层材料，采用不同喷涂工艺，得到的涂层 性能也不一样。同一种涂层材料，同一种工艺，不同的工艺参数，涂层的性能也 会不样，如涂层孔隙率、应力和夹杂等。涂层系统设计同样包含着打底层、工 1 9 河海大学硕士学位论文 作层材料系统的选择。 2 2 3 喷涂工艺参数的选择 等离子喷涂工艺决定着涂层的质量，等离子喷涂工艺过程复杂，有很多影响 因素，其中，至少有十几个独立的参数对涂层的性能及使用寿命起关键作用【8 7 1 ， 见图2 3 。比如喷涂电流、主气流量、辅气流量、载气流量、喷涂距离、送粉速 度、喷枪移动速度、步距等。等离子喷涂工艺的复杂性，导致涂层性能的重现性 不高嗍。由于对各个因素进行考察是不可能的，综合国内外的研究成果，认为对 喷涂涂层影响最大的因素为主气流量、辅气流量、电流、喷涂距离等。本课题拟 对这四个参数进行不同水平的试验研究，找出这几个主要工艺参数对涂层结合强 度的影响规律，探讨等离子喷涂工艺参数与性能之间的关系。 图2 3 喷涂主要工艺参数 2 2 4 喷涂试样的制作过程 2 2 a 1 基体的预处理 第二章实验材料、方案及设备 基体预处理的目的是获得清洁、有活性的表面，即对基体表面进行净化、 租化和活化。本试验采用的预处理方法为以下两种： ( 1 ) 除油清洗 采用丙酮工件进行清洗。为取得好的效果，利用超声波清洗仪，加热到4 0 6 0 ，清洗l o 分钟左右。 ( 2 ) 喷砂预处理 采用高硬度的磨料颗粒高速喷射基体表面，对基体产生冲刷和敲击作用， 以增加表面的粗糙度，同时去除表面氧化物，这是最常用的表面预处理方法【叫。 本试验采用3 0 目石英砂，喷砂压力为0 4 l o 5 5 m p a ，基体在喷砂处理后2 小 时内进行喷涂，尽量减少裸露基体的氧化。 2 2 4 2 喷涂粉末准备工作 在进行等离子喷涂前，预先把粉末放在烘箱内恒温7 0 c ，保持5 小时，对粉 末进行除湿，使得在喷涂时减少水蒸气带来的影响。 2 2 4 3 电源功率 电源功率的控制直接影响着等离子焰流的温度和喷射粒子的速度。功率过 小，不能完全熔化，会有“夹生”的出现；功率过大，会使涂层过热或过烧。最 佳的喷涂功率应与喷涂材料和送粉速度相匹配。等离子喷涂设备的功率调节是控 制电流和电压两个参数，同时电压与工作气体流量有关嗍。 2 2 4 4 喷涂距离和角度 距离指喷嘴到基体待喷表面的垂直长度。喷涂距离过小，基体和涂层过热， 影响结合强度；距离过大，会使熔融粒子的温度和速度降低，沉积率下降，孔隙 率增加，结合强度也降低。最佳喷涂距离的确定需要根据工艺、设备、功率、喷 涂材料等因素来综合考虑。 本试验采用的喷涂距离为7 0 1 3 0 m ，具体见正交试验方案表2 4 2 7 ， 喷枪与喷涂表面的角度为9 0 。，以便使喷射粒子撞击基体的动能最大，提高结 合强度【9 ”。 2 2 4 5 主气、辅气和载气及其流量 产生等离子的工作气体又称为离子气体。本实验所采用的工作气体是：主气 为氩气，辅气为氦气，载气为氩气。 2 l 河海大学硕士学位论文 主气和辅气的流量直接影响着等离子焰流的热焓和粒子的速度，继而影响着 喷涂效率和涂层的孔隙率。气体流量过大或过小，都会降低喷涂效率，增大涂层 孔隙率。载气流量影响着粉末的流量和速度。载气流量应与主气、辅气流量相配 合调节，以免相互不协调。 2 246 送粉方式和送粉速度 送粉方式有内送粉、外送粉、中心送粉三种方式。内送粉就是在喷嘴内部 将喷涂粉末垂直的或以某一角度吹入等离子焰流中，这种送粉方式克服了外送粉 的缺点。内送粉粉末在喷枪中飞行时间长，所以粉末加热时间长，速度增加的快， 涂层质量好；粉末受热变软充分，所以粉末的沉积率高；同时内送粉的热效率很 高，可以节省能源，适合于我国未来的大面积推广。中心送粉飞粉率低、热效率 高，是理想的送粉方式，但实现起来比较困难嗍。 本实验采用内送粉方式，内送粉模拟粒子轨迹图如图2 4 所示。本试验采 用的送粉速度为：打底层的送粉速度为2 3 7 9 r a i n ( 2 o r p m ) ，工作层的送粉速度 为4 7 2 9 r a i n ( 4 o r p m ) 。 图2 4 内送粉模拟粒子轨迹图阻2 1 2 24 7 喷枪移动速度 送粉速度和喷枪移动速度决定着喷涂粉末的量和每一次的涂层厚度，这两个 参数是互相联系的，需要保证相互间的匹配关系 9 3 1 。送粉速度一定时，调节喷枪 移动速度，则喷枪扫过工件的面积和每一次的涂层厚度会发生变化。每次涂层厚 度不宜太厚，一般为4 0 5 0 岫左右。同时和喷涂功率一起，影响着基体的受热 情况，一般相对工件的线速度在1 0 0 2 0 0 m m s 。本试验采用的喷枪移动速度为 第二章实验毒| 耩、方鬃及设备 1 0 0 m m s 2 2 4 8 涂层厚度 涂层厚度是涂层设谤瓣裰据使用要求泉确定煞。对予结合强度，一般是蘧 簿发魏增魏悉降低嗍，掰黻最佳涂垂厚爱一般是在满是使矮蘩求下豹最，j 、霉度 值。 夜考察喷涂工艺参数对涂层结合力影响时，打底层涂层厚度控制在l o o v m 左右，正作层厚度控制程3 0 0 斗m 左右；在磷究涂层厚度对结合力影响时，打底 层每王缛层熬涂墨潭褒分翻力1 0 0 5 5 0 p m 乏淄。 2 2 5 正交试验方案 砸交试验( o r t h o g o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g n ) 是研究多因素多水平试验的一种 方法，它是根据正交性从念顽试验中挑选出部分有代表性的点邀杼试验，这些有 投袭镶戆点其冬了“玛翅分数，齐整霹毙”豹特点，歪交试验浚谤怒一秘裹效率、 抉遥、经济豹实验设计方法掰婀。g 本著名豹统计学家田口玄一将正交试验选 择的水平组合列成表格，称为正交表。例