CN101713059A - 提高喷涂层接触疲劳寿命的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高喷涂层接触疲劳寿命的方法，其特征在于，其具体步骤为：(1)工作涂层喷涂参数的优化：利用正交实验计算工作涂层的喷涂参数；(2)制备Ni/Al粘结底层；(3)利用等离子喷涂技术喷涂工作涂层。采用正交设计这一现代应用数学方法对喷涂参数进行优化，根据喷涂材料性质的不同，得到最佳的参数组合。应用于各种涂层材料的热喷涂参数优化。提出了新的工艺方法，通过优化工作层和制备打底层，得到了较高的硬度和较低的孔隙率，综合性能好，结合强度高的涂层。通过实验对比，这种新工艺方法可以显著地提高涂层的接触疲劳寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高涂层解除疲劳寿命的方法，具体地说是将正交实验和打底涂层相结合的方式提高喷涂层的接触疲劳寿命的方法。
背景技术
随着社会的进步，许多装备零件被应用于高温、高速、高腐蚀的环境中，加速了零件由于表面失效而报废。如果发生表面失效就更换零件，必定会大大提高加工成本，浪费废旧零件的剩余价值。在废旧零件的表面制备再制造涂层是解决此类问题的有效手段，通过热喷涂等技术在废旧零件表面制备硬质涂层，不但可以最大程度利用废旧零件，还可以通过合理设计涂层使再制造后的零件应用更为苛刻的工况环境。因此，热喷涂在耐高温、耐腐蚀和耐磨领域都得到了广泛的发展，成为了装备再制造重要技术手段。
接触疲劳又称表面疲劳磨损，是零件的接触表面在接触应力的反复长期作用后引起的一种表面材料去除的损伤现象。对于铁路的钢轨、轧机的轧辊和很多传动装置中的重要零部件，如齿轮、轴承等，接触疲劳是它们主要的失效原因。而接触疲劳裂纹往往又是在表面或此表面开始萌生的，所以采用热喷涂在零件表面制备喷涂层是提高接触疲劳寿命的有效方法。但是由于热喷涂过程的限制，喷涂层的孔隙、微裂纹等缺陷限制了其在累积疲劳损伤条件下的服役性能。现有技术中等离子喷涂铁基自熔剂合金涂层与基体的结合方式只是依靠熔融颗粒的速度冲击经过喷砂处理的粗糙表面而形成的机械嵌合，结合强度不高，界面有大量的裂纹如图6所示。由于结合强度低和界面裂纹的存在，涂层在较大接触应力的作用下在服役的前期就容易由于整层剥落而发生失效，极大地影响了涂层的接触疲劳寿命。
发明内容
本发明的目的在于提出一种可以有效提高喷涂层接触疲劳寿命的方法。
本发明的发明思路为：
本发明采用等离子喷涂打底涂层和工作涂层，等离子喷涂技术具有焰流温度高，粒子速度快，沉积效果好等优势。铁基自熔剂合金粉末可以在喷涂过程中自行脱氧，不但消除氧化物对涂层的不利影响，还可以产生多种硬质化合物显著提高涂层的硬度，在常温至中温的环境中具有良好的耐磨性能。
本发明将现代应用数学的理论思想应用于涂层的优化中，采用正交实验设计对喷涂参数进行合理优化，制备出综合性能优异的涂层。正交实验设计是一种用于多因素实验的部分因子设计方法，具有很高的效率，其主要是提取出对于实验结果影响最大的几个典型的因素，并针对每个因素设定几个水平，通过设计正交实验表进行次数较少的正交实验，考察这些典型因素对实验结果的影响程度，并寻找最佳的因素组合，其避免了全面的实验所带来的繁琐和浪费，达到事半功倍的效果。
本发明采用先使用等离子喷涂制备Ni/Al粘结底层，再喷涂工作层的方法来提高结合强度，由于Ni和Al在熔融态发生强烈的化学反应，能够放出大量的热，并且这种放热反应持续的时间较颗粒从喷嘴到基体表面所用的时间长，所以当Ni/Al熔融颗粒到达基体表面时仍然有放热反应，放出的大量的热使基体表面熔化产生局部的重熔，形成微冶金结合，极大的提高了涂层的结合强度。
为了实现本发明的发明目的，本发明所采用的具体技术方案如下：
一种提高喷涂层接触疲劳寿命的方法，其特征在于，其具体步骤为：
(1)工作涂层喷涂参数的优化：利用正交实验计算工作涂层的喷涂参数；
(2)制备Ni/Al粘结底层；
(3)利用等离子喷涂技术喷涂工作涂层。
上述的一种提高喷涂层接触疲劳寿命的方法，其中所述步骤(1)正交实验计算工作涂层的喷涂参数为：提取三个典型因素，分别为喷涂电压、喷涂电流和喷涂距离；针对每个因素设定参数水平，通过参数水平设计正交实验表，固定了主气流量、送粉量和涂层厚度因素；采用涂层的硬度和孔隙率作为性能评价的判据，采用极差法对测得的硬度值和孔隙率值进行分析，分别得到了获得最高硬度和最低孔隙率的参数组合，采用综合评分的方法分析涂层的综合性能；采用极差法对综合评分进行分析，最终得到了制备工作涂层喷涂参数组合。
上述的一种提高喷涂层接触疲劳寿命的方法，其中所述性能评价的判据的硬度是使用显微硬度计测量的，孔隙率是采用孔隙率测试软件计算的，此软件为中国人民解放军装甲兵工程学院装备再制造国防科技重点实验室自主开发的：精确测定涂层孔隙率的图像处理软件。本领域技术人员可以通过购买得到。
上述的一种提高喷涂层接触疲劳寿命的方法，其中，所述步骤(2)制备Ni/Al粘结底层是通过等离子喷涂技术喷涂的。
本发明的优点与效益：采用正交设计这一现代应用数学方法对喷涂参数进行优化，根据喷涂材料性质的不同，得到最佳的参数组合。应用于各种涂层材料的热喷涂参数优化。提出了新的工艺方法，通过优化工作层和制备打底层，得到了较高的硬度和较低的孔隙率，综合性能好，结合强度高的涂层。通过实验对比，这种新工艺方法可以显著地提高涂层的接触疲劳寿命。
附图说明
图1为1、3、5号试样的显微硬度值；
图2为4、5、6号试样孔隙率分析示意图；
图3为综合性能最佳涂层的显微硬度值；
图4为综合性能最佳涂层的孔隙率分析示意图；
图5为铁基合金与基体的界面存在大量裂纹；
图6为有底层的涂层界面形貌；
图7为两种涂层的Weibull分布失效概率曲线图。
具体实施方式
本具体实施方式采用等离子喷涂铁基自熔剂合金涂层作为实验涂层。
实施例1应用本发明方法制备铁基自熔剂合金涂层
具体制备步骤：
1、工作涂层喷涂参数的优化：利用正交实验计算工作涂层的喷涂参数。
在实施例中，在等离子喷涂中对涂层性能影响最大的三参数，即喷涂距离、喷涂电压、喷涂电流被提取出来，根据HEPjet超音速等离子喷涂设备的功率及平均热效率和喷涂材料的熔点确定的参数水平，如正交实验表1所示，固定了主气流量、送粉量和涂层厚度因素。在等离子喷涂中，这三个参数是可以确定的，但是对于其他喷涂技术而言，可以根据使用设备的特点自行选择对于涂层质量影响较大的三个参数，并根据其参数进行正交设计。正交设计的方法为统计学公知的方法，在此不一一赘述。
表1等离子喷涂正交实验表
采用涂层的硬度和孔隙作为性能评价的判据，其中使用显微硬度计测量涂层的硬度，采用精确测定涂层孔隙率的图像处理软件(中国人民解放军装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点实验室研发)计算涂层的孔隙率。采用极差法对测得的硬度值和孔隙率值进行分析，极差法为公知计算方法，本实施例中以对硬度值的分析为例，分别计算喷涂距离、喷涂电流、喷涂电压各个水平三次实验的总硬度值。首先分别计算喷涂距离每个水平三次实验的硬度和，如距离为100mm时，测得的硬度值分别是437、557和878见表2第5列，其和为1872，同样计算其他两个水平下的三次实验硬度分别为2246和1967，得到的三个数据中，最大值与最小值的差即为极差，即R＝2246-1872＝374见表2第2列。并且这三硬度和中，数值最大的意味着这个水平下，涂层的硬度最好，所以在喷涂距离为110mm时，涂层硬度最大，即A2(A参数的第2个水平)，见表2第5列。然后分别计算喷涂电流和喷涂电压对硬度影响的极差值，比较得到了三个极差值，其中极差值大对硬度影响就大，由此得到了影响的主次顺序：A(喷涂距离)C(喷涂电流)B(喷涂电压)，同时也得到了可获得最大硬度的参数组合，即A2B3C3。以相同方法分析孔隙率，需注意的是硬度越大对涂层越好，反之孔隙率越低对涂层越好，因此在获得最大参数合作时，需选择孔隙率之和较小的水平。但分析极差值时仍同上述。由此可以得到分别得到了获得最高硬度和最低孔隙率的参数组合如表2所示。
表2正交实验结果分析
结果显示，通过合理的改善喷涂参数，可以使硬度值增大100.9％，孔隙率值降低65.8％。部分有代表性的试样的硬度和孔隙率分析如图1、2所示。图1中1号试样硬度最低，3号试样硬度最高，5号试样硬度适中。图2中4号试样孔隙率最低，5号试样孔隙率最高，6号试样孔隙率适中。采用综合评分的方法分析涂层的综合性能，综合加权评分的公式如下：
Yi＝ai1yi1+ai2yi2+…+aijyij
其中：aij为系数，yij为实验指标，下表i、j表示第i组实验的第j个指标。
各个实验指标的变化范围为：Ki(即最大值与最小值的差)得：
K1＝878-437＝441 K2＝4.24-1.45＝2.79
令综合评分为100分，其中硬度和孔隙率满分均为50，则可得系数为：ai1＝50/K1＝0.113 ai2＝-50/K2＝-17.921(孔隙率越大则涂层的质量越不好，所以此系数为负值。)
由上式分别计算各组实验的综合性能评分Yi：
Y1＝a11×y11+a12×y12＝0.113×437-17.921×3.75＝-17.823
Y2＝a21×y21+a22×y22＝0.113×557-17.921×1.62＝33.909
Y3＝a31×y31+a32×y32＝0.113×878-17.921×2.17＝60.325
Y4＝a41×y41+a42×y42＝0.113×810-17.921×1.45＝65.545
Y5＝a51×y51+a52×y52＝0.113×671-17.921×4.24＝-0.162
Y6＝a61×y61+a62×y62＝0.113×765-17.921×3.29＝27.485
Y7＝a71×y71+a72×y72＝0.113×691-17.921×2.81＝27.725
Y8＝a81×y81+a82×y82＝0.113×666-17.921×3.64＝10.026
Y9＝a91×y91+a92×y92＝0.113×610-17.921×3.57＝4.952
采用极差法对综合评分进行分析：通过上式分别得到了9次正交实验的综合评分，采用和分析硬度相同的方法分析即可，不再赘述。最终得到了制备综合性能最佳的铁基自熔剂合金涂层的等离子喷涂参数组合，即喷涂距离110mm、喷涂电流380A、喷涂电流150V(如表2所示)。采用追加实验对正交实验的结果进行实验验证。采用正交优化的参数制备了涂层，并对涂层硬度、孔隙率和综合评分进行分析，结果表明涂层的平均硬度为860，孔隙率为1.59％，则综合评分为：
Yz＝az1×yz1+az2×yz2＝0.113×860-17.921×1.59＝68.686
实验证明正交优化的涂层具有较高硬度，如图3所示；和较低的孔隙率，如图4所示；以及最高的综合评分，正交实验的结果十分理想。较大的硬度对于疲劳裂纹的萌生和扩展起到了抑制作用，较少的孔隙使得裂纹萌生的机率和扩展的速度减小。这种采用现代应用数学方法优化喷涂参数和涂层性能的思想同样可以应用于其他的热喷涂方式中，具有普遍适用性。
2、制备Ni/Al粘结底层(Ni/Al喷涂原料厂家：先导(益阳)等离子粉末有限公司，牌号：PR-4111)
等离子喷涂铁基自熔剂合金涂层与基体的结合方式只是依靠熔融颗粒的速度冲击经过喷砂处理的粗糙表面而形成的机械嵌合，结合强度不高，界面有大量的裂纹如图5所示。由于结合强度低和界面裂纹的存在，涂层在较大接触应力的作用下在服役的前期就容易由于整层剥落而发生失效，极大地影响了涂层的接触疲劳寿命。
本实施例首先使用等离子喷涂在基体上制备Ni/Al粘结底层，然后再喷涂工作涂层的方法来提高结合强度，由于Ni和Al在熔融态发生强烈的化学反应，能够放出大量的热，并且这种放热反应持续的时间较颗粒从喷嘴到基体表面所用的时间长，所以当Ni/Al熔融颗粒到达基体表面时仍然有放热反应，放出的大量的热使基体表面熔化产生局部的重熔，形成微冶金结合，极大的提高了涂层的结合强度如图6所示，Ni/Al涂层的喷涂参数如表3所示。
表3Ni/Al涂层的喷涂参数
3、利用等离子喷涂技术喷涂工作涂层。
所用喷涂设备为再制造国防科技重点实验室自主研发的高效能超音速等离子喷涂设备，本领域技术人员可通过购买得到；通过步骤1正交实验确定的喷涂工作涂层的参数见表4。
表4
实施例2本发明实施例1制备的涂层与现有技术制备涂层接触疲劳性能的评价
为了考察采用本此提出的新工艺方法制备涂层(实施例1制备的)接触疲劳性能，对采用新工艺方法制备的涂层和直接制备的涂层(未制备粘结底层和使用正交计算优化，喷涂参数见表5)
表5
在实验状态(应力水平和摩擦条件)完全相同的条件下各进行了10组接触疲劳实验，实验方法：将涂层喷涂在预制的基体上，采用接触疲劳试验机进行接触疲劳实验，所采用的实验设备为：燕山大学自主研发的YS-1型球盘接触疲劳试验机；本领域技术人员公知的球盘接触疲劳试验机也可。并采用两参数Weibull曲线描述两种涂层的接触疲劳性能如图8所示。
由图7可知在相同的循环次数下，新工艺方法制备的涂层的失效概率明显低于原工艺制备的涂层，且新工艺方法制备的涂层的L10(最小寿命)、L50(名义寿命)和La(特征寿命)要大于无粘结底层的涂层。并且新工艺方法制备的涂层的Weibull曲线斜率较大，这说明涂层的疲劳数据分散程度较小，涂层的接触疲劳寿命易于评估。由此可见，本发明新工艺方法显著提高了喷涂层的接触疲劳性能。
实施例3本发明实施例1制备的涂层与现有技术制备涂层接触疲劳性能的评价
用本发明实施例1制备的涂层和直接制备的涂层与仅应用喷涂打底层无正交优化的涂层三者相对比。
本实施例所述的直接制备的涂层喷涂参数同实施例2见表5。喷涂打底层的涂层，打底层的喷涂参数见表3。涂层接触疲劳性能实验方法和设备与实施2相同。
采用两参数Weibull失效概率曲线图对三种涂层的疲劳寿命进行了表征。由图可知，在相同的应力水平和摩擦条件下，在任意循环次数下，打底层的涂层的失效概率要明显低于无底涂层，可见，粘结底层有助于提高涂层的接触疲劳寿命。而在任意循环次数下，采用本次发明方法制备的涂层的失效概率最低，这说明优化工作层和粘结底层的工艺方法可以显著的提高涂层的接触疲劳寿命。
Claims (5)
1.一种提高喷涂层接触疲劳寿命的方法，其特征在于，其具体步骤为：
(1)工作涂层喷涂参数的优化：利用正交实验计算工作涂层的喷涂参数；
(2)制备Ni/Al粘结底层；
(3)利用等离子喷涂技术喷涂工作涂层。
2.根据权利要求1所述的一种提高喷涂层接触疲劳寿命的方法，其特征在于，所述步骤(1)正交实验计算工作涂层的喷涂参数为：提取三个典型因素，针对每个因素设定参数水平，通过参数水平设计正交实验表，固定了主气流量、送粉量和涂层厚度因素；采用涂层的硬度和孔隙率作为性能评价的判据，采用极差法对测得的硬度值和孔隙率值进行分析，分别得到了获得最高硬度和最低孔隙率的参数组合，采用综合评分的方法分析涂层的综合性能；采用极差法对综合评分进行分析，最终得到了工作涂层的喷涂参数。
3.根据权利要求2所述的一种提高喷涂层接触疲劳寿命的方法，其特征在于，所述性能评价的判据的硬度是使用显微硬度计测量的，孔隙率是采用孔隙率测试软件计算的。
4.根据权利要求2所述的一种提高喷涂层接触疲劳寿命的方法，其特征在于，所述的三个典型因素为喷涂电压、喷涂电流和喷涂距离。
5.根据权利要求1所述的一种提高喷涂层接触疲劳寿命的方法，其特征在于，所述步骤(2)制备Ni/Al粘结底层是通过等离子喷涂技术喷涂的。
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