【摘要】：等離子噴涂層已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用來(lái)提高零件表面的耐磨、耐腐蝕以及抗疲勞等性能。但由于噴涂層是噴涂顆粒的堆疊形成的,因此涂層之間存在裂紋氣孔等缺陷,并且涂層與基體的結(jié)合類(lèi)型屬于機(jī)械結(jié)合,使噴涂涂層的結(jié)合強(qiáng)度很低,極易在服役過(guò)程中失效,進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)服役系統(tǒng)失穩(wěn)破壞。需要針對(duì)涂層的服役環(huán)境及失效特點(diǎn)對(duì)其性能進(jìn)行改善。激光織構(gòu)化處理是改善涂層表面與界面性能行之有效的新方法,但是應(yīng)用織構(gòu)化處理提高噴涂層性能的研究卻鮮有文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)。本文將織構(gòu)圖案制備于涂層界面來(lái)提高Ni60噴涂涂層的結(jié)合強(qiáng)度,結(jié)合圖像處理軟件(Image Pro Plus)對(duì)織構(gòu)化圖案提高噴涂層結(jié)合強(qiáng)度的機(jī)理進(jìn)行了探討;利用單個(gè)顆粒收集技術(shù)獲得顆粒的沉積形貌,分析織構(gòu)參數(shù)對(duì)噴涂顆粒鋪展行為的影響,研究了噴涂涂層在織構(gòu)化處理的基體表面的成形機(jī)理;探索了織構(gòu)圖案粗糙度參數(shù)對(duì)噴涂顆粒高溫潤(rùn)濕性能的影響,并建立了噴涂涂層結(jié)合強(qiáng)度與粗糙度參數(shù)的關(guān)系;同時(shí),將仿生織構(gòu)圖案制備于噴涂涂層表面,利用YS-2疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)涂層的滾動(dòng)接觸疲勞壽命進(jìn)行考察,并對(duì)不同結(jié)合強(qiáng)度下噴涂涂層的滾動(dòng)接觸疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。研究了織構(gòu)圖案形狀(溝槽形、正方形及六邊形)對(duì)噴涂涂層結(jié)合強(qiáng)度的影響,并與噴砂處理后的結(jié)合強(qiáng)度(50MPa)進(jìn)行對(duì)比,分析了織構(gòu)化圖案影響涂層結(jié)合強(qiáng)度的機(jī)理。結(jié)果表明,對(duì)比于噴砂處理,溝槽形織構(gòu)化處理后界面處增加接觸面積率(CZR)提高了1.28倍,涂層的結(jié)合強(qiáng)度為58MPa。正方形形織構(gòu)化處理后涂層的結(jié)合強(qiáng)度最低為33MPa,導(dǎo)致涂層結(jié)合強(qiáng)度差異的原因?yàn)榭棙?gòu)圖案形狀改變了界面處增加接觸面積率、織構(gòu)圖案的密度及界面處平面區(qū)的面積。研究了織構(gòu)圖案的深度(H)、直徑(D)及間距(L)對(duì)噴涂涂層填充行為及成形機(jī)制的影響,并探討了織構(gòu)圖案參數(shù)的交互作用對(duì)涂層結(jié)合強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明,隨織構(gòu)圖案深度的增加織構(gòu)內(nèi)部逐漸產(chǎn)生氣孔,涂層的結(jié)合強(qiáng)度取決于增加接觸面積率與織構(gòu)內(nèi)氣孔體積(V_t)的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制;涂層結(jié)合強(qiáng)度隨織構(gòu)直徑的增大呈整體上升趨勢(shì),隨織構(gòu)間距的增大而降低�？棙�(gòu)圖案的直徑會(huì)影響噴涂顆粒在凹坑內(nèi)部的潤(rùn)濕行為,而織構(gòu)圖案的間距會(huì)改變噴涂液滴在平面區(qū)域的結(jié)合類(lèi)型;考慮到織構(gòu)圖案參數(shù)的交互作用,織構(gòu)圖案的徑-間比(D/L)是影響涂層結(jié)合強(qiáng)度的直接參數(shù)。研究了粗糙度參數(shù)與噴涂液滴高溫潤(rùn)濕性的關(guān)系,利用高斯通過(guò)率波長(zhǎng)限定實(shí)現(xiàn)了織構(gòu)化表面粗糙度參數(shù)的分級(jí)提取,并建立了振幅參數(shù)(S_(sk),S_(ku))與涂層結(jié)合強(qiáng)度的關(guān)系。結(jié)果表明,隨振幅參數(shù)S_(sk)及空間參數(shù)S_(tr)增加,噴涂液滴潤(rùn)濕角增加,而隨振幅參數(shù)S_(ku)的增加及空間參數(shù)S_(al)的增加,噴涂液滴潤(rùn)濕角降低。激光織構(gòu)化表面的納米級(jí)堆積物質(zhì)有利于S_(ku)的增加,能夠提高液滴的潤(rùn)濕性。粗糙度的振幅參數(shù)(S_(sk),S_(ku))可以用來(lái)建立與噴涂涂層結(jié)合強(qiáng)度的關(guān)系,但是結(jié)合強(qiáng)度隨振幅參數(shù)的變化趨勢(shì)由織構(gòu)直徑與噴涂顆粒粒徑的關(guān)系而確定。研究了界面織構(gòu)化圖案改善噴涂涂層滾動(dòng)接觸疲勞性能的機(jī)理,結(jié)果表明界面織構(gòu)化圖案可以提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度,能有效改善接觸疲勞條件下的分層失效;同時(shí),對(duì)不同結(jié)合強(qiáng)度(50MPa、60MPa及70MPa)的涂層的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn),隨著結(jié)合強(qiáng)度的提升,涂層的特征壽命(即失效概率P=62.5時(shí)的失效壽命)從1.233分別上升至1.415和1.995;研究了表面織構(gòu)化圖案直徑和密度對(duì)涂層接觸疲勞性能的影響,結(jié)果表明,隨著織構(gòu)圖案直徑的增加,凹坑內(nèi)部及邊緣的堆積物質(zhì)逐漸增多,涂層的接觸疲勞性能先上升后降低。隨著織構(gòu)圖案織構(gòu)的密度增加,涂層的承載能力下降,涂層的接觸疲勞性能隨織構(gòu)密度的增加呈現(xiàn)先上升后降低的趨勢(shì)。
【圖文】：

后將熔融或半熔融狀態(tài)的材料沉積于經(jīng)過(guò)預(yù)處理的，等離子體火炬被開(kāi)發(fā)是源于測(cè)試高熱材料的需求，紀(jì)五十年代末六十年代初，用等離子槍來(lái)噴涂材料離子噴涂技術(shù)幾乎可以實(shí)現(xiàn)在任何類(lèi)型的基體上噴活性是該技術(shù)快速發(fā)展的重要原因之一[14]。其高溫，如陶瓷材料以及高熔點(diǎn)合金[15]。熔融或半熔融的材料噴射于基體表面形成連續(xù)涂層離子焰流為熱源的熱噴涂技術(shù)[17]。噴涂時(shí)將粉末材料到熔融或半熔融狀態(tài)，并在射流的作用下，高速撞擊、攤平、堆垛然后形成涂層，，這就是等離子噴涂的基圖 1.1 所示[21]。等離子噴涂涂層的質(zhì)量主要取決于噴終的冷卻過(guò)程及噴涂顆粒的堆積過(guò)程[22]。在等離子噴涂層的結(jié)合強(qiáng)度是非常重要的，所以基體表面通常會(huì)的質(zhì)量[23]。

哈爾濱工程大學(xué)博士學(xué)位論文耐磨以及耐熱疲勞等不同功能的涂層[28-30]。Liu Zhe 等[31]在碳鋼表面分別制備層 Ni60 涂層、陶瓷涂層 Al2O3涂層以及 ZrO2陶瓷涂層，并與未噴涂的基體的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)金屬涂層的防腐性能要優(yōu)于未噴涂的基體的腐蝕性能，而陶瓷涂層能要優(yōu)于金屬涂層。Bao, MD 等[32]利用等離子噴涂技術(shù)制備了 Al-Si 添加納米合涂層，得到了摩擦學(xué)性能優(yōu)異的復(fù)合涂層，涂層的磨痕形貌如圖 1.2 所示。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TG174.4

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本文編號(hào)：2702389