【摘要】：等離子噴涂層已經(jīng)被廣泛地應用來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合類型屬于機械結合,使噴涂涂層的結合強度很低,極易在服役過程中失效,進而導致整個服役系統(tǒng)失穩(wěn)破壞。需要針對涂層的服役環(huán)境及失效特點對其性能進行改善。激光織構化處理是改善涂層表面與界面性能行之有效的新方法,但是應用織構化處理提高噴涂層性能的研究卻鮮有文獻報導。本文將織構圖案制備于涂層界面來提高Ni60噴涂涂層的結合強度,結合圖像處理軟件(Image Pro Plus)對織構化圖案提高噴涂層結合強度的機理進行了探討;利用單個顆粒收集技術獲得顆粒的沉積形貌,分析織構參數(shù)對噴涂顆粒鋪展行為的影響,研究了噴涂涂層在織構化處理的基體表面的成形機理;探索了織構圖案粗糙度參數(shù)對噴涂顆粒高溫潤濕性能的影響,并建立了噴涂涂層結合強度與粗糙度參數(shù)的關系;同時,將仿生織構圖案制備于噴涂涂層表面,利用YS-2疲勞實驗機對涂層的滾動接觸疲勞壽命進行考察,并對不同結合強度下噴涂涂層的滾動接觸疲勞壽命進行預測。研究了織構圖案形狀(溝槽形、正方形及六邊形)對噴涂涂層結合強度的影響,并與噴砂處理后的結合強度(50MPa)進行對比,分析了織構化圖案影響涂層結合強度的機理。結果表明,對比于噴砂處理,溝槽形織構化處理后界面處增加接觸面積率(CZR)提高了1.28倍,涂層的結合強度為58MPa。正方形形織構化處理后涂層的結合強度最低為33MPa,導致涂層結合強度差異的原因為織構圖案形狀改變了界面處增加接觸面積率、織構圖案的密度及界面處平面區(qū)的面積。研究了織構圖案的深度(H)、直徑(D)及間距(L)對噴涂涂層填充行為及成形機制的影響,并探討了織構圖案參數(shù)的交互作用對涂層結合強度的影響。結果表明,隨織構圖案深度的增加織構內部逐漸產(chǎn)生氣孔,涂層的結合強度取決于增加接觸面積率與織構內氣孔體積(V_t)的競爭機制;涂層結合強度隨織構直徑的增大呈整體上升趨勢,隨織構間距的增大而降低。織構圖案的直徑會影響噴涂顆粒在凹坑內部的潤濕行為,而織構圖案的間距會改變噴涂液滴在平面區(qū)域的結合類型;考慮到織構圖案參數(shù)的交互作用,織構圖案的徑-間比(D/L)是影響涂層結合強度的直接參數(shù)。研究了粗糙度參數(shù)與噴涂液滴高溫潤濕性的關系,利用高斯通過率波長限定實現(xiàn)了織構化表面粗糙度參數(shù)的分級提取,并建立了振幅參數(shù)(S_(sk),S_(ku))與涂層結合強度的關系。結果表明,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,噴涂液滴潤濕角降低。激光織構化表面的納米級堆積物質有利于S_(ku)的增加,能夠提高液滴的潤濕性。粗糙度的振幅參數(shù)(S_(sk),S_(ku))可以用來建立與噴涂涂層結合強度的關系,但是結合強度隨振幅參數(shù)的變化趨勢由織構直徑與噴涂顆粒粒徑的關系而確定。研究了界面織構化圖案改善噴涂涂層滾動接觸疲勞性能的機理,結果表明界面織構化圖案可以提高涂層的結合強度,能有效改善接觸疲勞條件下的分層失效;同時,對不同結合強度(50MPa、60MPa及70MPa)的涂層的疲勞壽命進行預測發(fā)現(xiàn),隨著結合強度的提升,涂層的特征壽命(即失效概率P=62.5時的失效壽命)從1.233分別上升至1.415和1.995;研究了表面織構化圖案直徑和密度對涂層接觸疲勞性能的影響,結果表明,隨著織構圖案直徑的增加,凹坑內部及邊緣的堆積物質逐漸增多,涂層的接觸疲勞性能先上升后降低。隨著織構圖案織構的密度增加,涂層的承載能力下降,涂層的接觸疲勞性能隨織構密度的增加呈現(xiàn)先上升后降低的趨勢。
【圖文】：

后將熔融或半熔融狀態(tài)的材料沉積于經(jīng)過預處理的，等離子體火炬被開發(fā)是源于測試高熱材料的需求，紀五十年代末六十年代初，用等離子槍來噴涂材料離子噴涂技術幾乎可以實現(xiàn)在任何類型的基體上噴活性是該技術快速發(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[17]。噴涂時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量主要取決于噴終的冷卻過程及噴涂顆粒的堆積過程[22]。在等離子噴涂層的結合強度是非常重要的，所以基體表面通常會的質量[23]。

哈爾濱工程大學博士學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制備了 Al-Si 添加納米合涂層，得到了摩擦學性能優(yōu)異的復合涂層，涂層的磨痕形貌如圖 1.2 所示。
【學位授予單位】：哈爾濱工程大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TG174.4

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本文編號：2702389