（材料学专业论文）基于正交实验的超音速火焰喷涂fe基涂层组织性能的研究.pdf

山东科技人学预：l ：学位论文 摘要 摘要 本文利用超音速火焰喷涂技术，采用f e 基合金粉末，制备了一定厚度的合金涂层。 影响涂层组织性能的因素很多，其中氧气流量、煤油流量、喷涂距离为主要影响因素。 本文以三者为因素，分别取三个水平，进行了正交实验：分别以涂层的显微硬度、孔隙 率、金相组织、综合性能为指标，进行正交分析，得出了优化的工艺参数。其中当氧气 流量为9 4 4 l m i n ，煤油流量为2 8l h ，喷涂距离为3 3 0 m m 时，涂层的综合性能最佳。 通过金相显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、x 射线衍射等手段，分别研 究了涂层的组织形貌、结构、相组成等。涂层由变形的带状粒子、未熔颓粒及少量孔隙 组成。通过扫描电镜能谱分析研究了界面处原子的扩散情况，得知界面处部分原子实现 了互扩散，涂层与基体以机械结合为主，冶金结合为辅。由于喷涂粒子的冷却速度较快， 涂层中形成了非晶。后续涂层的加热以及周围组织释放的结晶潜热使部分非晶转变成纳 米晶，涂层由非晶、纳米晶及硼化物组成。文中分析了非晶、纳米晶形成的机理以及涂 层中孔隙的成因。通过对涂层显微硬度的测试得知，采用优化的参数得到的涂层硬度约 为基体的4 倍，且涂层平行于结合面的硬度与垂直于结合面的硬度相差不大。靠近涂层 的基体硬度呈现梯度变化的趋势，这是由于该部分产生了加工硬化，以及基体中形成了 孪晶、涂层与基体的部分冶金结合等都导致基体硬度的提高。利用盐雾腐蚀实验对涂层 与基体的耐腐蚀性能进行了检测，涂层比基体的耐盐雾腐蚀性好，孔隙率少的涂层比孔 隙率多的耐盐雾腐蚀性好，涂层的腐蚀类型为小孔腐蚀。以上的分析表明，本研究采用 超音速火焰喷涂工艺，利用正交实验方法得到了致密、硬度高、耐腐蚀的涂层。 关键词：超音速火焰喷涂，非晶，纳米晶，盐雾腐蚀实验 些塞型丝- 犬兰塑主竺堡堡塞 塑壅 a b s t r a c t i nt h i sp a p e rf eb a s e da l l o yc o a t i n gv c a sp r e p a r e db yh v o f t h e r ea r em a n yf a c t o r st h a t a f f e c tt h ep r o p e r t i e so f t h ec o a t i n g ，a m o n gw h i c hk e r o s e n eo i lf l o wr a t e ，o x y g e nf l o wr a t ea n d s t a n d o f fw e r et h em a i nf a c t o r s o r t h o g o n a lt e s tw a sc a r r i e do u tb a s e do nt h et h r e em a i n f a c t o r sw i t ht h r e el e v e l s o r t h o g o n a la n a l y s i sw a s a p p l i e di nw h i c hm i c r o h a r d n e s s ，p o r o s i t y ， m e t a l l u r g i c a ls t r u c t u r ea n dc o m b i n a t i o np r o p e r t yw e et a k e na st h eo b j e c t s t h e nt h e o p t i m i z e dp a r a m e t e r sw e r eg o t 、v h e no x y g e nf l o wr a t ew a s9 4 4 l m i n ，k e r o s e n eo i lf l o wr a t e w a s2 8l ha n ds t a n d o f f w a s3 3 0 m mt h ec o a t i n gh a dt h eb e s tp r o p e r t i e s m o r p h o l o g ya n dp h a s ec o m p o s i t i o no ft h ec o a t i n gw e r ea t t e n t i v e l ys t u d i e db ym e a n so f m e t a l l o g r a p h i cm i c r o s c o p y , s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) ，t r a n s m i s s i o ne l e c t r o n m i c r o s c o p e ( t e m ) a n dx r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) t h es t u d ys h o w e dt h a tt h ec o a t i n gw a s c o m p o s e do f d e f o r m e ds t r i ps h a p e dp a r t i c l e s ，a n - m e l t e dp a r t i c l e sa n ds o m ep o r e s a l s o ，s e m w a su s e dt os t u d yt h ea t o md i f f u s i o na l o n gi n t e r f a c e i tw a sf o u n dt h a tt h es u b s t r a t ea n dt h e c o a t i n gw e r ew e l lb o n d e d i tw a sm a i n l ym e c h a n i c a lb o n d i n ga n dp a r t l ym e t a l l u r g i c a l b o n d i n g a m o r p h o u sw a sf o r m e di nt h ec o a t i n gb e c a u s eo fh i g hc o o l i n gr a t eo fs p r a y i n g p a r t i c l e s p a r to fa m o r p h o u st r a n s f o r m e di n t on a n o - c r y s t a l l i n eb e c a u s eo ft h eh e a to ft h e f o l l o w i n gl a y e r t h ec o a t i n gw a sc o m p o s e do fa m o r p h o u s ，l l a n o c r y s t a l l i n ea n db o r i d e t h e m e c h a n i c so ff o r m a t i o no fa m o r p h o u sa n dn a n o c r y s t a l l i n ew a sa n a l y z e da sw e l la st h e r e a s o nl e a d i n gt ot h ep o r e s f o ro p t i m i z e dp a r a m e t e rc o a t i n g ，m i c r o - h a r d n e s so ft h ec o a t i n g w a sf o u rt i m e st h a to ft h es u b s t r a t ea n dt h em i c r o h a r d n e s sp a r a l l e lt ot h eb i n d i n gs i t ew a s n e a r l yt h es a m ea st h a tv e r t i c a lt ot h eb i n g d i n gs i t e m i c r o h a r d n e s so ft h es u b s t r a t en e a l t h e c o a t i n gw a sal i t t l eh i g h e rt h a nt h a tf a rf r o mc o a t i n gl a y e r i tw a sd u et ot h ew o r k - h a r d e n i n g a n dt h ef o r m a t i o no ft h et w i nc r y s t a l sa sw e l la sp a r to f m e t a l l u r g i c a lb o n d i n g t h ec o r r o s i o n r e s i s t a n c eo fc o a t i n ga n ds u b s t r a t ew a sc h e c k e db ys a l ts p r a yt e s t t h ec o r r o s i o nt y p ef o rt h e c o a t i n gw a sp i t t i n gc o r r o s i o n t h ec o r r o s i o nr e s i s t a n c eo ft h ec o a t i n g 、v i t ho p t i m i z e d p a r a m e t e r sw a sb e t t e rt h a nb o m s u b s t r a t ea n dc o a t i n gw i t hh i g h e rp o r o s i t y a l lt h e s ea n a l y s i s i n d i c a t e dt h a tb yh v o ft e c h n i q u et h ec o a t i n gw i t hh i g hm i c r o - h a r d n e s s ，d e n s i t ya n dg o o d c o r r o s i o nr e s i s t a n c e “t ht h eo p t i m i z e dp a r a m e t e r sc a l lb eg o t k e y w o r d s ：h v o f a m o r p h o u s ，n a n o c r y s t a l l i n e ，s a l ts p r a yt e s t 山东科技大学硕士学位论文 1 绪论 随着国民经济的高速发展，原材料的不足已影响到各行各业，节材已成为国民经 济发展的紧迫课题。实践证明，在诸多的节材技术中，表面工程技术对于节材的作用十 分显著。 表面工程技术是表面处理、表面涂( 镀) 层及表面改性的总称，是2 0 世纪8 0 年代世 界十项关键技术之一，也是2 l 世纪主导技术之一。表面工程技术是通过运用各种物理、 化学或机械工艺过程来改变基材表面状态、化学成分、组织结构或形成特殊覆层，使基 体表面具有不同于基体的某种特殊性能，从而达到特定的使用要求。该技术把材料的表 面与基体作为一个统一系统进行设计和改性，以最经济，最有效的方法改善材料表面及 近表面区的形态、化学成分、组织结构，并赋予材料表面新的复合性能，使许多新构思、 新材料、新器件实现了新的工程应用。该技术不仅用于维修业，还用于制造业，是先进 制造技术的重要组成部分。表面工程技术日益受到世界各国的重视，发展了各种用于表 面工程的新型工艺技术，包括表面改性技术、表面薄膜制备技术和表面涂层技术。 材料表面工程技术主要的特点如下【l 】： ( 1 ) 勿需改善整体材料而使表面获得某种理想的功能( 如防腐、耐磨、耐高温、 抗氧化等) ，甚至获得整体材料不能或很难得到的组织、性能，如微晶、非晶等； ( 2 ) 表面成膜、表面合金化及其他表面改性法用材很少，因而可以采用较贵重稀缺 的元素或化合物丽不会显著增加成本，使工件质量成倍地提高； ( 3 ) 既可以用来对材料进行保护，又可用来提高机件质量，还可以成功地对机件 进行修复。 表面工程技术因在材料基体表面制备了一层涂层或薄膜或通过表面改性赋予材料 许多特殊性能，如耐热、耐磨、耐蚀、高强度等，从而使材料的表面性能大大优于材料 基体。对材料的表面进行优化改性比制造新材料有更大的潜力和效益。因此许多国家都 在努力研究各种提高零部件表面性能的新技术、新工艺、新方法，开发出了大批实用、 先进、高效的表面工程技术。 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 1 1 热赜涂技术的发展过程 i i 热喷涂技术 热喷涂工艺是利用热源将喷涂材料加热熔化或软化。靠热源自身的动力或外加的高 压气流，使熔滴雾化并以一定的速度喷射到工件表面形成涂层的工艺方法。热喷涂作为 表面工程学的一个重要缎成部分，是表面防护和表面强化的新技术。 热喷涂技术最早出现在上世纪初，由瑞士人s c h c c p 博士发明，迄今已有9 0 多年历 史。在这9 0 多年历史中。尤其是自上世纪8 0 年代至9 0 年代，热喷涂技术得到了飞跃性 的发展和推广应用口) l ，突出表现在新型喷涂热源如：激光、电子束等熟源的研制成功 和应用。其发展趋势是：设备方面( 喷涂枪) 向高能、高焓、高速度发展；材料方面向 系列化、标准化、商品化方向发展，以保证多功能高质量涂层的需要；工艺方面向机械 化、自动化方向发展，如计算机控制、机械手操作等；涂层向着高质量和精密化方向发 展。随着喷涂材料的研究与发展，各种新型、优质热喷涂技术( 如超音速火焰喷涂 ( h v o f ) 、高速电弧喷涂( h v a s ) 、超音速等离子喷涂( s p s ) 等) 不断涌现。 热喷涂技术是一种非常实用有效的制各金属工件的防腐蚀、耐磨、耐高温和抗氧化 涂层的方法【4 】。由于该工艺灵活，施工方便，效果显著，适应性强，近年来在我国得到了迅 猛发展，已经在航空航天、石油化工、冶金、电力、农机、内燃机车、矿山机械、工程 机械、铁路、桥梁、汽车、造船、计算机、电子、造纸、纺织、原子能等国民经济各部 门和各行业获得了广泛应用。 热喷涂涂层按结构分类有：纳米涂层、合金涂层、非晶态涂层以及由这些材料复合 构成的复合涂层1 5 1 。目前，为了满足对材料多功能、高性能等的要求，多种材料的复合、 纳米涂层、新型合金或非晶涂层的使用成为热喷涂涂层材料发展的主要趋势。 1 1 2 涂层的形成帆理及结构 从喷涂材料进入热源到形成涂层，喷涂过程一般经历四个阶段1 6 , 7 1 。( 1 ) 首先是喷 涂材料被加热熔化阶段。对于线材，当端部进入热源的高温区域，即被加热熔化，形成 熔滴；对于粉末，进入高温区域后，在行进的过程中被加热熔化或软化。( 2 ) 紧接着是 熔滴雾化阶段。线材端部形成的熔滴，在外加压缩气流或热源自身射流的作用下，使熔 滴脱离线材并将其雾化成细微的熔粒向前喷射。粉末被气流或热源射流推动向前喷射。 2 些查型塾查兰堡主兰垡兰塞 塑堡 ( 3 ) 熔融或软化的颗粒向前喷射进入飞行阶段。在飞行过程中，颗粒先是被加速，而 后随着飞行距离的增加而减速。( 4 ) 当这些具有一定温度和速度的颗粒接触基材表面时， 以一定的动能冲击基材表面，产生强烈的碰撞，这即喷涂过程的第四阶段。在产生碰撞 的瞬间，颗粒的动能转化成热能传给基材，并沿凹凸不平的表面产生变形，变形的颗粒 迅速冷凝并产生收缩，呈扁平状粘结在基材表面。喷涂的粒子束接连不断地冲击基材表 面，产生碰撞一变形一冷凝收缩的过程，变形颗粒与基材表面之间，以及颗粒与颗粒之 间互相交错地粘结在一起，从而形成涂层，如图1 1 所示。 三蓉三 图1 1 热喷涂过程 f i 9 1 1t h e r m a ls p r a y i n gp r o c e s s 氧化夹杂孔隙或空洞喷涂层颗粒 基侔 圈1 2 典型的喷涂涂层剖面 f 培1 2c r o s ss e c t i o no f t y p i c a lc o a t i n g 涂层的形成过程决定了喷涂层的结构，它是由无数变形粒子互相交错呈波浪式堆 叠在一起的层状组织结构。在喷涂过程中，由于熔融的颗粒与喷涂工作气体及周围空气 进行化学反应，使得喷涂材料经喷涂后会出现其氧化物，由于颗粒的陆续堆迭及部分颗 粒的反弹散失，在颗粒与颗粒之间不可避免地存在一部分孔隙或空洞。因此。喷涂层是 由变形颗粒，气孔和氧化物夹杂所组成【s , 9 1 ，如图1 2 所示。涂层中氧化物夹杂的含量 及涂层密度，取决于热源、材料及喷涂条件。在喷涂方法中采用高温热源( 如等离子弧 等) ，以及采用低压或保护气氛喷涂，就是为了尽可能的消除涂层中的氧化物夹杂和气 孔，改善涂层的结构和性能。 山东科技大学硕士学位论文 1 1 3 涂屡的结合机制【i o j 涂层的结合包括涂层与基体表面的结合和涂层内部的结合。涂层与基体表面的结合 强度称为结合力，涂层内部的结合强度称为内聚力。目前，一般认为，涂层中颗粒与基 体表面的结合以及颗粒之间的结合相同，均属“物理一化学”结合，包括以下几种类型： ( 1 ) 机械结合( 抛锚作用) ：喷涂粒子碰撞成扁平状并随基体表面起伏，与凹凸不 平的表面互相嵌合，在冷凝收缩时形成机械咬合。一般而言，涂层与基体表面的结合以 机械结合为主。 ( 2 ) 冶金结合：当高速熔融粒子撞击到基体表面且二者紧密接触时，若熔融粒子 的热量足以使涂层粒子和基体材料产生互扩散和微区合金化，则可形成冶金结合。一般 产生冶金结合后，涂层与基体的结合强度会达到较高的水平。 ( 3 ) 物理结合：即当高速的熔融粒子撞击到基体表面且紧贴的距离达到基体原子 间晶格常数范围时，就会产生范德华力，丽由此引起的结合属于物理结合。一般在基材 表面十分干净或进行活化后才有这种结合的可能性。 1 1 4 主要的热喷涂技术简介 1 1 4 1 火焰喷涂】 火焰喷涂是最早得到应用的一种喷涂方法。它利用气体燃烧放出的热量进行喷涂。 火焰喷涂具有设备简单、操作容易、工艺成熟、投资少等优点。但是火焰喷涂层组织为 层状结构，含较多的氧化物和气孔，而且混有熔化不充分的颗粒，使得涂层结合不够致 密。而且火焰温度一般为2 8 0 0 c ，使得火焰喷涂只适用于熔点不高的金属或合金。 1 1 4 2 电弧喷涂 1 2 13 】 电弧喷涂是以两根丝状金属喷涂材料在喷枪端部短路产生的电弧为热源，将熔化的 金属丝用压缩空气气流雾化成微熔滴，高速喷射到工件表面形成喷涂层的一种工艺。由 于电弧能量密度高、熔化粒子加热温度高、粒子变形量大，所以涂层的结合强度高于火 焰喷涂。电弧喷涂技术具有设备简单、生产率高、能耗低等优点，因其适合我国国情而 在我国得到了长足的发展。 1 1 4 3 等离子喷涂m 1 6 】 等离子喷涂是继火焰喷涂、电弧喷涂之后发展起来的一种新的喷涂技术，主要包括常 压等离子喷涂和低压等离子喷涂。其工业应用始t 2 0 世纪7 0 年代。等离子弧产生的温度 4 生查塑塾查鲎堡主兰垡堡苎塑堕 高迭1 5 0 0 0 ，喷流速度达3 0 0 4 0 0 m s ，因而可以喷涂各种高熔点材料。由于等离予喷 涂火焰温度和速度极商，几乎可以熔化并喷涂任何材料；它具有形成的涂层结合强度较 高，孔隙率低且喷涂效率高，使用范围广等很多优点，故在航空、冶金、机械、机车车 辆等部门得到广泛的应用，在热喷涂技术中占据着重要的地位。 1 1 4 4 爆炸喷涂【1 7 1 2 0 世纪5 0 年代后期，美国的联合碳化物公司林德分公司就发明了爆炸喷涂技术， 并申请了专利。z o 世纪6 0 年代，前苏联的乌克兰学院材料所和焊接所也开始从事爆炸 喷涂技术的研究工作，并开发了一系列爆炸喷涂设备。爆炸喷涂是利用脉冲式气体燃烧 爆炸后产生的能量将喷涂的粉末加热熔化，并加速轰击到工件表面，形成坚固的涂层。 爆炸喷涂过程中，产生的超音速气流的速度达3 0 0 0 m s ，中心温度3 4 5 0 ，粉末微粒离 开喷枪的飞行速度高达1 2 0 0m s ，每次脉冲爆炸可在工件的表面形成一个厚度5 3 0 岬、直径约2 0 m m 的涂层圆斑，工件与喷枪之间保持一定的相对运动，涂层圆斑有 序地互相错落重叠，在工件的表面按螺旋线形成一个完整均匀的涂层。 1 1 4 5 超音速火焰喷涂 1 8 , 1 9 超音速火焰喷涂( h i g hv e l o c i t yo x y g e nf u e l ，简称h v o f ) 是上世纪8 0 年代发展起 来的一种高速火焰喷涂方法。它是利用丙烷、丙烯等碳氢系燃气与高压氧气在燃烧室内， 或在特殊的喷嘴中燃烧产生的高温高速燃烧焰流，该燃烧焰流速度可达1 5 0 0m s 以上。 将粉末轴向送入该焰流，可以将喷涂粒子加热至熔化或半熔化状态，并加速到6 0 0 州s 以 上，从而获得结合强度高、组织致密、性能优越的涂层。可以广泛地应用于各类耐磨零部 件的表面强化喷涂和磨损零部件的修复，应用领域及范围包括：航空发动机、印刷机辊 轮、高温阀门、压缩机零部件、玻璃模具、 件、造纸、锅炉管道、纺织机械等。 现将几种主要热喷涂方法列表比较， 各种冷作模具、油田用部件、化工装置零部 如表1 1 所示 山东科技大学预士学位论文 绪论 表1 1 主要热喷涂方法比较 t a b l e l 1c o m p a r i s o no f t h em a i nt h e r m a ls p r a y i n gm e t h o d 火焰温度 工艺方法( o c ) 粒子速度( m s ) 结台强度( n r a m 2 )孔隙率 火焰喷涂3 0 0 03 0 t 。当温度从l 下降时，结晶速度迅速增大，但在 低于t 时，结晶速率又变得很小，如图2 2 所示。显然，若能将熔融合金迅速冷却到l 以下，就能获得非晶相。所以值越小，就越容易形成非晶态。 本实验喷涂粉末中以过渡族金属f e 和c r 为主要成分，同时含有少量类金属b 和 s i 。这种元素组成有效的减小了t ，提高了非晶的形成能力。而且f e 在t m 中是最 廉价的，这有助于降低喷涂粉末成本，提高材料的经济效益。b 可与合金元素发生反应 生成各种硼化物，如c r 2 b 、c r b 、f e 3 b 、f e 2 b 等。这些化合物的硬度很高，能显著提高 涂层的耐磨性。硅有固溶强化和脱氧作用。 2 2 1 涂层的制备 2 2 涂层的制备、观察及性能测试 本实验采t a f a 公司生产的j p 5 0 0 0 超音速火焰喷涂设备，如图2 3 。该设备使用安 全的液体煤油燃料、高压喷涂、吸入式送粉，设备热效率高。氧气和煤油被送进喷枪后 部的燃烧室，并用火花塞点燃。粉末沿径向并从双孔加入内喷嘴喉管后的过度膨胀负压 区，从而不需要高压送粉系统。本实验中氩气为送粉气，流量为1 0 5 l m i n ，送粉量为 5 5 r p m ，喷枪移动速度为5 0 0 m m s 。其它工艺参数见第三章。基材表面先用丙酮清洗除 油净化，再进行喷砂粗化，然后把基材固定、预热，随后进行喷涂，图2 4 为超音速火焰 山东科技大学硕士学位论文 实验材科及实验方法 喷涂过程。 图2 3 超音速火焰喷涂设备图2 4 超音速火焰喷涂过程 f i 9 2 3e q u i p m e n to f h v o f f i 9 2 4p r o c e s so f h v o fs p r a y i n g 喷砂粗化处理是非常重要的工序，喷砂粗他处理时，其磨料带有尖锐的棱角，当磨 料高速冲击基体表面时，可以使材料表面形成均匀凹凸不平的粗糙面，粗糙度可按要求 进行控制。表面粗化处理有以下作用：经喷砂处理后，基体表两具有较高的附着力，可 使涂层与基材产生良好的机械咬合，从而提高结合强度；增大熔融粒子与基材的结合面 积，并使表面清洁活化；使涂层中变形的扁平粒子互相交错，形成连锁的叠层。为了防 止活化后的表面发生氧化，必须保持薪鲜的表面不被污染，为此，进行表面喷砂后，应 尽快的进行涂层的制备。为了增强冷却能力保证涂层非晶化，在喷涂过程中采用空气辅 助强制冷却。 涂层与基体表面的温度差会使涂层产生收缩应力，从而引起涂层开裂和剥落。基体 表面的预热可防止上述不利影响。本实验基体表面的预热温度在2 0 0 左右，以免引起 基体表面氧化而影响涂层与基体表面的结合强度。 2 2 2 金相试样的制备 将喷涂后的试样用线切割数控机床进行锯割，得到大小合适的矩形块，用x q 一2 a 镶 嵌机镶嵌。然后依次用2 0 0 、2 6 0 、3 2 0 、4 0 0 、6 0 0 、8 0 0 目的金相砂纸打磨，最后用p 一2 金相试样抛光机抛光成镜面。 山东科技大学硕士学位论文 实验材料及实验方法 2 2 3 金相组织形貌观察及物相分析 光学显微镜用可见光束照明物体，操作简单，制样方便，已成为杉料生产和科研的 常用工具，并发挥了重大的作用。本实验采用x j g 0 5 大型金相显微镜来观察涂层的致 密度、涂层的氧化情况、涂层与基体的结合情况等。 扫描电子显微镜是用细聚焦电子束在样品表面扫描时激发产生的某些物理信号来 调制成像，具有放大倍数高、成像真实、场深大、分辨率高等优点，对材料的微观结构 观察直接简便，放大量应用于材料的微观结构分析。在本实验中，采用荷兰菲利浦的 s i r o n 型扫描电镜进行涂层表面组织形貌观察，并对涂层与基体结合区进行能谱分析。 透射电子显微镜是以波长极短的电子束作照明源，用电磁透镜聚焦成像的电子光学 仪器，它具有高分辨本领、高放大倍数的特点。其具有的选区电子衍射功能，可以用来 标定物质中所含的物相，也是一种常用的材料分析工具。本实验采用日本j e o l 公司生 产的j e m 一2 0 0 0 e x 型透射电镜进行涂层的形貌观察和物相标定。 x 射线衍射仪是通过x 射线在晶体中所产生的衍射现象来反映晶体结构的，其测量 具有方便、快速、准确等优点，它是近年来晶体结构分析的主要设备。本实验采用日本 岛滓x d 3 a 型x 射线衍射仪对涂层的相结构和非晶化状况进行研究。 2 2 4 显微硬度测试 硬度是指材料表面抵抗变形或者破裂的能力。究竟代表何种抗力则决定于采用的实 验方法，如刻划法表征材料抵抗破裂的能力，压入法表征材料抵抗变形的能力。应用较多 的是压入法硬度，如布氏硬度、维氏硬度和显微硬度等。硬度实验简单易行，不损毁试样 或工件，所以应用广泛。本实验采用上海生产的h x d 一1 0 0 0 t cm i c r o h a r d n e s s t e s t e r 测量涂层与基体的显微硬度，所加载荷为2 0 0 9 ，保持时间为1 5 s 。 由表面至基体测量涂层的显微硬度，观察硬度变化趋势；测量平行于结合砸的涂层 硬度，观察涂层同一层面上的硬度是否均匀；测量靠近结合面的基体的硬度，检测喷涂 对基体的硬度的影响情况。 2 2 5 孔隙率的检测 超音速火焰喷涂逐层喷涂的特点造成了涂层中不可避免地存在孔隙，孔隙的存在影 塑堡型塾查兰塑主兰堡堡茎 壅竺塑壁垒壅矍查鳖 响材料的性能和使用，孔隙率的大小也是表征涂层性能的一个重要参数。本实验采用光 学显微镜和东南大学制作的图像分析软件相结合测定并计算涂层的孔隙率。孔隙率= 孔 隙所占的面积涂层的总面积。随机取试样的1 0 个视场的图片( 放大4 0 0 倍) 进行分析 测试，取其平均值作为整个涂层的孔隙率。 2 2 6 盐雾腐蚀实验 耐腐蚀性能的检测主要有盐雾实验、浸泡实验和电化学极化曲线法等，盐雾实验又 分为中性盐雾实验、乙酸盐雾实验、铜加速乙酸盐雾实验等。本实验采用中性盐雾实验 对涂层的耐蚀性进行检验。中性盐雾实验用于评定涂层的抗盐雾腐蚀的能力，也可用于 不同涂层的工艺质量的比较。 为了满足不同的实验目的。可以采用多种实验结果评价标准。如重量变化、显微镜 观察、机械性能等，本实验需要考虑如下几个方面： a 开始出现腐蚀的时间： b 实验后的外观； c 去除腐蚀产物后的外观； d 腐蚀产物如点蚀、气泡等的分布和数量。 实验设备采用上海宏泽实验设备有限公司产的y w x 一1 5 0 盐雾腐蚀实验箱，配备v - - 0 1 7 1 7 空气压缩机进行实验 3 喷涂工艺参数的选择与优化 在改进工艺或研制新产品时，经常需要通过实验去寻求最佳工艺参数。对大多数工 艺过程来说，这种工艺参数往往不止一个。对于多因素的实验过程，如果按不同的组合 逐项进行实验，将造成人力和物力上的很大浪费。为了能用最少的实验次数获得可靠的 结果，就需要合理安排实验并正确分析实验结果，从中得出正确的结论，这就是实验方 法设计的基本内容和目标。 实践证明，正交实验是实验设计的有效方法。正交实验法是在实际经验与理论认识 的基础上，利用一种排列整齐的规格化的表“正交表”安排实验。正交表具有搭配 均衡的特点，能在所考察的范围内，通过所选出的代表性强的少数次实验找到最优或 较优的工艺方案。利用正交表进行计算分析，可达到以下目的：将某个目标影响因素按 影响程度大小排列，以利于对主要因素进行有效控制：找出使某个目标达到最优的因素 组合方式，以利于进行项目综合调整；找出使总体目标达到较优的因素组合方式。正交 实验设计由于能用少量实验，提取关键信息，具有很高的效率，并且简单易行，已成为 多因子优化的主要方法。 正交表是正交设计中合理安排实验，并对数据进行统计分析的主要工具。表3 1 是 一张常用的正交表，记为l 9 ( 3 4 ) 。 表3 i 正交实验衰 t a b l e 3 1o r t h o g o n a lt e s tt a b l e 动号 实验号 l2 3 4 1l132 2 2 l ll 33l23 41221 52 2 3 3 632l2 7l3l3 82322 93 331 l 。( 3 4 ) 有9 个横行4 个直列，由字码1 、“2 ”、“3 ”组成。它有两个特点：1 2 2 坐叁登塾查兰塑圭兰垡堡塞翌塑三苎竺墼塑垄量兰垡些 每直列都有三个：“1 ”、2 、3 ；2 任意两个直列，其横向形成的9 个数字对( 1 ， 1 ) 、( 1 ，2 ) 、( 1 ，3 ) 、( 2 ，1 ) 、( 2 ，2 ) 、( 2 ，3 ) 、( 3 ，1 ) 、( 3 ，2 ) 、( 3 。3 ) 各出现一 次。即任意两个直列，字码“l ”、“2 ”、“3 ”间的搭配都是均衡的。 l 9 ( 3 4 ) 正交表记号的意义是：3 ：因素的水平数；4 ：表中列数，即最多可以安排 的因素数；9 ：横行数，即需做的实验次数。 因素、水平、实验指标的含义是： 因素：即实验因素，影响实验结果的实验条件，也叫因子； 水平：实验因素在实验中所选取的状态，也即位级； 实验指标：表征实验研究对象的指标，也称考核指标。 列出因素水平表后，就要选合适的正交表来安排实验方案。用正交表安排实验的过 程如下： 1 因素顺序上列按照因素水平表中确定下来的因素次序，依次放到b ( 3 4 ) 的三个 直列上，第四列没有因素可以不列出。 2 水平对号入座三种因素上列后，按因素水平表所确定的关系对号入座。 3 1 各指标的正交分析 涂层的硬度、耐蚀性与涂层的致密度、层间粒子结合状态，涂层扁平粒子厚度等因 素有关。除了喷涂方法和原始粉末外，喷涂工艺参数是影响涂层结构和性能的主要工艺 因素，其中氧气流量、燃气流量和喷涂距离对涂层性能影响较大3 3 1 。在h v o f t 艺中， 粒子撞击基体瞬间的状态、涂层粒子的冷却速度、涂层之间以及涂层与基体的温度梯度、 涂层中孔隙、涂层中的化学成分分配、非晶、纳米晶的形成等都受这些参数的影响，且 这些因素存在交互作用。要制备优质涂层就必须研究喷涂工艺参数对涂层结构的影响以 及涂层结构与涂层性能之间的关系。因此，采用科学的实验设计方法，针对影响h v o f 涂层性能的主要工艺参数进行系统定量研究，找出涂层在某方面性能较优的工艺参数， 对探讨喷涂工艺条件对涂层性能的影响规律，优化喷涂工艺条件具有非常重要的意义。 本实验中把送粉速度、氩气流量、喷枪移动速度等作为恒定因素，氧气流量、煤油 流量和喷涂距离作为实验因素，上述各因素选取三个水平，选用l 9 ( 3 4 ) 正交实验表， 表3 2 为因素水平表。 山东科技大学硕士学位论文 喷涂工艺参数的选择与优化 表3 2 正交实验的因素水平表 t a b l e 3 2f a c t o rl e v e lo f o r t h o g o n a lt e s t 影响因素 水平4 氧气流量b 煤油流量c 喷涂距离 ( u m i n )( l ，h )( m m ) 18 4 21 83 3 0 29 4 42 33 8 0 3 1 0 4 62 8 4 3 0 按因素水平表所确定的关系对号入座，填得如下实验方案表。 表3 3 正交实验方案表 t a b l e 3 3s c h e m eo f o r t h o g o n a lt e s t 影响因素 实验号a 氧气流量b 煤油流量c 喷涂距离 ( l m i n ) ( l m ) ( m m ) 1 2 ( 9 4 4 )3 ( 2 8 )1 ( 3 3 2 1 ( 8 4 2 )1 ( 1 8 )1 ( 3 3 0 ) 3 3 ( 1 0 4 6 ) 2 ( 2 3 )l ( 3 3 0 ) 4 1 ( 8 4 2 ) 2 ( 2 3 )2 ( 3 8 们 5 3 n 0 4 6 )3 ( 2 8 ) 2 0 8 0 ) 6 2 ( 9 4 4 )r i 阶2 ( 3 8 0 ) 7 3 ( 1 0 4 6 1 l ( 1 8 )3 ( 4 3 0 ) 8 2 ( 9 4 4 )2 ( 2 3 ) 3 ( 4 3 0 ) 9 1 ( 8 4 2 )3 ( 2 8 ) 3 ( 4 3 实验方案确定后，就按照上表进行实验，对各实验指标进行测试。因素4 的i 、i i 、 u i 是三次a i 、a 2 、a 3 分别同b 和c 的三个水平全部搭配一次后的实验结果，所以比较爿 列i 、i i 、i i i 的大小，可以认为b 、c 对它们的影响大体相同。这样，a 列i 、i i 、 间的差别，可以看作是因a 取了三个水平所引起，这就是正交表提供的均匀可比性。用 同样的方法分析b 和c ，曰和c 列的i 、i l 、i i i 数据的差别，就看作是由相应列的因素 水平所引起。 根据以上分析可得出结论：按正交表各列计算所得i 、i i 、i i i 数据的差别，反映了 相应列的因素在取不同水平时对指标的影响。 算出各列的i 、i l 、i i i 值后，把每列l 、i i 、i l i 中的最大值减去最小值，其结果就 是相应列的极差，记作r 。极差月反映了该列因素所选水平对指标的影响。 分析各因素对实验指标的影响，选取各因素的最佳水平，选取因素的水平与实验指 d 山东科技大学硕士学位论文 喷涂工艺参数的选择与优化 标有关。实验指标以大为好者，就应取i 、i i 、m 中最大的那个水平，反之则应取最小 的。 本实验中金相组织满分定为1 0 0 分，根据涂层的氧化情况、致密度、厚度等具体情 况给分，7 号试样涂层氧化严重，孔隙率密集且孔径较大，涂层较薄，完全不符合本实 验要求，定为0 分。 本实验以涂层硬度、金相组织、孔隙率为指标，分别进行讴交分析，得出极差，对 因素影响主次进行分析，并得到对应的较优水平，计算结果如表3 a 。 表3 4 超音速火焰喷涂实验结果计算表 t 曲i e3 4r e s u l tc a l c u l a t i o no f h v o f 实因素 验 a 氧气流量b 煤油流量c 喷涂距离 硬度金相组织孔隙率 号( l m i n )( l h ) ( m m ) ( 2 ) 1 2 ( 9 4 4 )3 ( 2 8 ) 1 ( 3 3 0 ) 1 0 9 99 0o 7 7 1 2 1 ( 8 4 2 )1 ( 1 8 )1 ( 3 3 0 ) 9 2 l9 03 3 3 4 3 3 0 0 4 6 )2 ( 2 3 )1 ( 3 3 0 ) 1 0 0 85 52 7 8 1 4 1 ( 8 4 2 )2 ( 2 3 )2 ( 3 8 0 ) 8 9 05 02 8 6 4 5 3 ( 1 0 4 6 )3 ( 2 8 、2 ( 3 8 0 ) 1 0 7 35 55 3 5 4 6 2 ( 9 4 4 )1 ( 1 8 )2 ( 3 8 0 ) 6 8 l7 50 9 7 3 ( 1 0 4 6 )l ( 1 8 )3 ( 4 3 0 ) 6 0 206 0 8 2 ( 9 4 4 )2 ( 2 3 )3 ( 4 3 0 ) 9 0 78 54 1 0 3 9 t ( 8 4 2 ) 3 ( 2 8 )3 ( 4 3 0 ) 9 5 0 6 05 2 0 9 硬i2 7 6 12 2 0 43 6 2 8影响主次：b c a i i2 6 8 72 8 0 52 6 4 4 较佳水平a t b 3 c l u i2 6 8 33 1 2 22 4 5 9 度 r 7 8 9 1 86 6 9 金i2 0 01 6 5 2 3 5 影响主次：a c b 相 i i2 5 01 9 01 8 0 较佳水平：a 2 岛c i 组 il l o2 0 51 4 5 织r1 4 04 6 9 0 孔i1 1 4 0 71 02 3 4 6 8 8 6 影响主次：c a b 陈 i 【5 7 7 49 7 4 89 1 1 8 率i1 4 1 3 51 1 3 3 41 5 r 3 1 2 较佳水平：盈b 2 c 1 立8 3 6 11 5 8 68 4 2 6 山东科技大学硕士学位论文 喷涂工艺参数的选择与优化 3 2 涂层综合性能的正交分析 涂层硬度、孔隙率和金相组织对实验结果来讲，重要性并不相同，为了使之在最 终的分值中有所反映，按其重要程度给以加权。综合加权评分值f 的计算公式 r = a i l y + d 。2 儿2 + + 口口y 口 ( 3 1 ) 式中 日f 一系数；托一实验指标。 下标f 、j 表示第f 号实验的第，个指标。系数口。的符号要由实验指标的趋势是否一 致来定，如趋势一致，都是以大或小为好，则取相同符号；如果其中有某项不同，那么 该项应取相反符号，即其他项的趋势如取“+ ”，则趋势相反的项应取“一”。 硬度的高低直接影响到涂层的耐磨性能，机械长期受到环境的磨损，高的硬度非常 重要；空气中的水分会对机器零件造成腐蚀，特别是在有孔隙的地方容易发生电化学腐 蚀：涂层的金相组织直接决定了它的各种性能，因此为了反应三者在应用中的重要性， 给以加权评分。综合评分定为1 0 0 分，根据实际需要，硬度满分定为3 5 分；金相组织 形貌满分定为2 0 分；孔隙率满分定为4 5 分。 计算各实验指标的交化范围，即最大值与最小值之差k 。 硬度墨- - - - 4 9 7 ，金相组织k ：- - - - - 9 0 ，孔隙率k ，= 5 2 2 9 ，利用右式计算q ：a f 。分 值k ，得 a n = 3 5 4 9 7 = 0 0 7 ，口2 = 2 0 9 0 = 0 2 2 ，口f 3 2 4 5 5 2 2 9 2 8 6 确定后，就可以计算综合加权评分值。在统计方法中，某指标的数值同乘，同除 或同加、同减一相同数，并不影响其变化趋势。所以计算硬度指标时，可同时减6 0 0 。 上述实验得综合加权评分值的计算如下： x = o 0 7 x 4 9 9 + 0 2 2 x 9 0 - - 8 6 0 7 7 1 2 4 8 l e = o 0 7 x 3 2 1 + n 2 2 x 9 0 - - 8 6 x 3 3 3 4 = 1 3 6 k = o 0 7 x 4 0 8 + 0 2 2 5 5 8 6 2 7 8 1 = 1 6 7 4 k = o 0 7 2 9 0 + 0 2 2 x 5 0 8 6 x 2 8 6 4 = 6 6 7 e = o 0 7 x 4 7 3 + 0 2 2 x 5 5 - - 8 6 x 5 3 5 4 2 0 8 3 2 6 坐堡登垫盔堂堕主主垡堡塞 竺堡三茎童墼塑垄堂墨垡丝 兄2 0 0 7