等离子喷涂失效分析.ppt

1、等离子喷涂失效分析,1. 等离子喷涂,等离子喷涂在当今生产中得到广泛的应用，它的热源来自等离子焰流，其焰流中心的温度可达30000K，喷枪喷嘴处的温度也能达到15000K。 高温可以将金属材料或者陶瓷材料加热到熔化或者半熔化状态，同时用高速电离气流将液化的涂层材料沉积到经过处理的基体表面上，形成牢固的、具有高硬度、耐磨、防腐、耐高温等性能的表面防护涂层，提高工件的使用寿命。,2,2. 接触疲劳,接触疲劳失效是材料在交变载荷作用下，局部产生永久性累积损伤，并在一定循环次数后，形成接触表面发生麻点、浅层或深层剥落等材料去除的过程，是机械产品(如齿轮、轴承、轧辊)常见的表面失效形式。 热喷涂层接触疲

2、劳寿命是指试样接触表面在循环接触应力作用下直至疲劳失效时所经受的应力循环次数，是表征涂层接触疲劳性能的关键指标。,3,疲劳寿命影响因素可以分为与涂层表面完整性相关的内因和与涂层服役工况相关的外因。 残余应力 微缺陷 接触应力 涂层厚度 内因 结合强度 外因 转速 表面硬度 表面粗糙度等 润滑状况等,4,1）涂层厚度 研究表明，厚涂层的疲劳寿命相对较长，但寿命分散性较大，不易进行寿命预测；薄涂层的疲劳寿命较短，但寿命分散性相对较小。从涂层失效模式来看，薄涂层的失效模式相对较平均，各种失效模式均有出现；而厚涂层的失效模式以剥落和表面磨损失效为主，基本不会出现分层失效，即适当增加涂层厚度能够有效预防

3、分层失效这一严重损伤失效模式的出现。,5,2）微缺陷 热喷涂层是由高温熔滴撞击基体或已形成的涂层表面，之后经过扁平变形、冷却凝固而成的，这一过程致使涂层内部不可避免地存在微孔隙、微裂纹、氧化物、未熔颗粒等缺陷，如图2、图3 所示。研究表明，涂层的接触疲劳寿命随涂层内孔隙率的增加而减小。通过对试件失效模式的统计发现，微缺陷数量较少时，涂层以剥落失效为主，微缺陷数量较多时则以分层失效为主。,6,7,3）涂层表面粗糙度 涂层表面粗糙度是指涂层工作状态下的接触表面的光滑程度。粗糙度较高的涂层接触疲劳寿命较低，反之寿命较高。分析认为，在相同的润滑条件下，粗糙度较大时，由于涂层润滑不充分，表面微凸体相互挫

4、伤，形成局部裂纹，裂纹扩展最终导致磨削后涂层中出现表面磨损、剥落等近表层失效，涂层寿命短；粗糙度较小时，涂层润滑条件良好，对摩副分离充分，表面未受到直接冲击，近表面未发生磨损和剥落现象，涂层的接触疲劳寿命提高，失效形式以分层失效为主。,8,4）残余应力 通常情况下，残余应力诱导的涂层失效模式可以划分为三类，即分层失效、表面裂纹及胀裂引起的剥落，如图4所示，其中t及c分别表示拉应力和压应力。在涂层内部，拉应力过大会导致开裂失效，或边缘分层失效；而压应力的不合理分布则会导致胀裂、剥落或边缘分层等失效模式的发生。,9,10,5）结合强度 涂层/基体的结合强度是影响涂层服役持久性的重要指标，通过疲劳试

5、验可以发现，结合强度较低的涂层，以快速而严重的分层失效为主，涂层寿命较短，且分散程度高；而结合强度较高的涂层主要发生表面磨损和剥落失效，涂层寿命较长，且分散程度低，易于进行寿命预测。,11,6）接触应力 在较低接触应力作用下，涂层易产生点蚀失效，失效形貌如图a所示，表面出现大量的麻点，且多分布在接触磨痕的范围之内，深度较浅；在较高接触应力作用下，涂层易产生剥落失效，失效形貌如图b所示，在涂层滚动区域内出现形状不规则的剥落坑，面积大于点蚀坑；在很高接触应力作用下，涂层易发生分层失效，如图c，d所示。材料去除的面积大于接触磨痕范围，部分基体暴露，深度比剥落坑深得多。,12,13,分析认为，接触应力

6、导致的涂层内部剪切应力变化是涂层产生上述失效的主要原因。低接触应力条件下，涂层内部和界面处的剪切应力较小，无法有效地破坏涂层的内聚或涂层与基体的结合，主要发生轻微的表面点蚀或剥落等近表层失效;高接触应力条件下，涂层与基体界面上的剪切应力增大，过大的界面剪切应力使涂层界面上的缺陷在较短的时间内萌生为疲劳裂纹，并快速扩展到表面，形成涂层的整层分层失效。,14,15,3. 摩擦磨损,涂层的熔覆情况和孔隙率、晶粒大小、形状、涂层硬度等等,都会影响涂层的耐磨性能。而这些因素与喷涂工艺参数密切相关。 等离子喷涂参数不同,涂层的孔隙率、夹杂、涂层晶粒的大小和分布、涂层微裂纹、残余应力的大小等都有不同,导致获

7、得不同硬度的涂层,从而影响涂层的摩擦磨损性能。,16,(l)电弧电流的影响 电弧电流的增大,能提高等离子弧的温度。等离子弧温度越高,喷涂粉末熔化越好,涂层的孔隙率越小,夹杂物也越少,涂层更均匀和致密,耐磨性能更好。但电弧电流过大,粉末经过弧区时,吸收热量也越多,涂层残余热应力也越大,也容易形成微裂纹。同时电弧电流过大,粉末经过弧区时,流动性能较差的粉末、飞行速度较小的和颗粒越细小的粉末,可能有一部分被气化。这些气化的粒子夹在熔融粒子之间,摊平后气孔收缩,形成孔隙和夹杂。,17,(2)工作气体的影响 Ar气作为等离子体发生气体,H2气作为辅助性气体,也是等离子喷涂重要的工艺参数之一,直接影响等离子焰流的温度、热焓和流速。Ar气和H2气流量的增加,导致电弧电压的增加,功率的增大,有利于获得夹杂物少、致密和均匀的涂层,涂层的耐磨性能也越好。但是Ar气流量过大,会使离子浓度减小,焰流温度和热烩会有所降低,等离子焰流速度变大,粒子在焰流中加热时间变短,粉末熔化不均匀,涂层组织疏松,孔隙率增大,涂层耐磨性能恶化。,18,(3)喷涂距离的影响 喷涂距离也是重要影响因素之一。粉末在等离子弧区熔融、加速,在离喷嘴某一段距离时速