CN106676449A - 一种提高涂层结合强度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种提高涂层结合强度的方法，这种方法是通过生物仿生学模拟，在基体表面制备织构化图案，随后在有织构化图案的基体表面制备涂层。本发明采用织构化作为一种喷涂前处理手段，通过织构化提高喷涂涂层的结合强度，从而延长了涂层的服役性能。

Description

一种提高涂层结合强度的方法
技术领域
本发明涉及喷涂材料技术领域，具体涉及一种提高涂层结合强度的方法。
背景技术
由于喷涂涂层本身具有空隙率相对较高，存在夹杂、纤维裂纹等缺陷，使得喷涂涂层在服役过程中易形成裂纹扩展，导致寿命降低。对现有表面涂层性能的提升主要是在涂层成形后采用激光重熔、表面强化等二次加工技术，虽然这些技术手段对涂层性能的提升起到了一定效果，但宏观性能是材料内部结构与质量的外在表征，所以这些技术并不能对已形成固定内部结构涂层的服役性能从本质上有较大提升。
喷涂涂层由于其结合强度较弱，在服役时，在涂层界面处容易发生失效行为，因此，很多手段已经被应用于喷涂前处理，如喷丸、化学除油等，但是化学方法除油会在表面产生化学反应，引进新的氧化物，造成基体表面化学成分的改变，且所使用的化学药品对人体和环境均有害，而喷完过程，会导致基体表面产生一定的变形，且产生的凹坑是不规则排列的，不能够有效的控制凹坑的尺寸以及排列，因此很有必要探索新的方法，作为喷涂前处理过程，提高涂层与基体的结合力。
超音速等离子喷涂技术因其能够在大型零件上制备较厚厚度的涂层而被广泛应用在实际工程领域，通过等离子喷涂技术可以实现多中材料不同体系的涂层，如金属及合金、陶瓷、金属陶瓷及塑料等，并且喷涂涂层也体现出不同的功能，如耐磨、热障、导电、防辐射等。但是由于喷涂涂层本身具有空隙率相对较高，存在夹杂、纤维裂纹等缺陷，使得喷涂涂层在服役过程中易形成裂纹扩展，导致寿命降低。
织构化已经被广泛应用在减摩抗磨的研究中，并且通过织构化的方法已经实现了材料的性能的大幅度提高，织构化能够提高材料摩擦学性能的主要原因是因其能够储存磨屑及润滑油，对摩擦表面提供持续润滑，但是对喷涂涂层进行织构化，利用织构化不同形貌改变接触条件继而提高喷涂涂层的抗疲劳性能的研究很少。
发明内容
通过对生物界的生物进行观察分析，发现很多生物因其生物体表的非光滑图案而具有特殊的功能。探索研究特殊的几何图案增加粗糙度并针对特殊的结合图案研究最优的织构化参数，如直径，深度，密度等。本发明的目的是借助涂层结合强度测试手段能够得到最优的提高涂层结合强度的织构化图案及织构化参数，探索出一种提高涂层结合强度的新方法。
本发明的又一目的在于提供一种能够有效提高喷涂涂层结合强度的织构化图案。
为了实现本发明的目的，本发明提供了一种提高涂层结合强度的方法，这种方法是通过生物仿生学模拟，在基体表面制备织构化图案，随后在有织构化图案的基体表面制备涂层。
具体地，本发明的方法包括如下步骤：
(1)利用激光过程在基体表面制备织构图案；
(2)利用超音速等离子喷涂方法对步骤(1)所得的基体进行喷涂。
优选的，该方法步骤(1)中的基体还包括清洗打磨处理。所述基体优选不锈钢，具体选用FV520B。
优选的，步骤(1)中激光过程的具体工艺参数为：激光功率为80-120W，扫面速度为600-900mm/s，频率为15-25HZ。该过程通过控制加工次数来控制所选织构的深度，加工次数为3-7次，通过激光织构化方法可以得到一定尺寸、一定密度的规则的织构化图案。
优选的，步骤(2)中所述喷涂工艺参数为喷涂电压120V，喷涂电流440A，喷涂功率55kW，喷涂距离100mm。喷涂所选用的涂层为NiCrBSi陶瓷涂层，超音速等离子喷涂得到厚度为100微米左右的喷涂涂层，其中NiCrBSi粉末的粒度为50-60微米。
本发明所用的激光为脉冲激光，所用的能量和加工次数决定着织构化图案的深度，通过系统自带的画图软件，可以将所需要的一定尺寸一定形状按照一定间距的织构化图案预先画出来，然后对试样表面进行加工，可以得到精细尺寸结构的织构化图案。
进一步地，本发明提供了一种能够有效提高喷涂涂层结合强度的织构化图案。所述图案包括任意几何图案或几种几何图案的组合，如圆、三角形、六边形、沟槽形、网格形、箭头形或条纹形等。
优选的，所述织构化图案的密度为大于0％，并且小于50％；更优选为30％。
本发明的有益效果如下：
本发明采用织构化作为一种喷涂前处理手段，通过织构化提高喷涂涂层的结合强度，从而延长了涂层的服役性能。
附图说明
图1本发明实施例1中基体表面进行的织构化图案；
图2本发明基体表面不同形状织构下涂层与基体的结合强度；
图3本发明不同织构密度下涂层结合强度的变化。
具体实施方式
以下通过实施例来进一步描述本发明的有益效果，应该理解的是，这些实施例仅用于例证的目的，决不限制本发明的保护范围。
实施例1制备双层织构耦合的涂层
第一步：
首先对基体进行清洗打磨处理，所述基体优选不锈钢，具体选用FV520B。
第二步：
用激光过程在基体表面制备织构化图案
首先，在画图软件中做出圆形与三角形组合织构，圆形与沟槽形组合织构，网格型织构，六边形织构图案，然后利用激光加工，在基体表面制备织构化图案，如图1所示。
其中，六边形织构边长为150微米，间距为200微米，如1-1所示。
圆形与沟槽形组合织构，其中沟槽的宽角度为150微米，间距为200微米，在沟槽的间距排列直径为100微米，纵向间距为200微米的圆，如1-2所示；
圆形与三角形组合织构，圆的直径为150微米，圆心间距为200微米，在圆与圆的间隙制备边长为100微米的三角形，如1-3所示；
网格织构，为横向与纵向均有沟槽形的分布，其中沟槽的宽度的150微米，间距为200微米，如1-4所示；
激光加工过程的具体工艺参数：所用激光功率为90W，扫描速度为700mm/s，频率为20HZ，通过加工次数来控制织构化图案的深度，加工次数为6次，得到深度为80微米的织构化图案，织构化图案的密度为30％。
第三步
利用超音速等离子喷涂方法进行喷涂
所述的步骤(3)中喷涂设备选用矿冶研究总院的高效GTV F6等离子喷涂设备，喷涂工艺参数为喷涂电压120V，喷涂电流440A，喷涂功率55kW，喷涂距离100mm。最终获得一定厚度的涂层。喷涂所选用的涂层为NiCrBSi陶瓷涂层，超音速等离子喷涂得到厚度为100微米左右的喷涂涂层，其中NiCrBSi粉末的粒度为56微米。
实施例2对比例
在实施例1相同的条件参数情况下，在没有织构化的基体上制备喷涂涂层进行实验对比。
实施例3对实施例1制备的涂层进行滚动接触疲劳测试，并改变接触疲劳的滑差率，观察在不同滑差率条件下涂层的抗疲劳性能。
为了测量涂层的各项性能，采用NovaNanoSEM450型扫描电子显微镜观察喷涂后织构的几何形貌。
为了测试不同织构化图案对喷涂涂层的抗疲劳性能的影响，采用滚动接触疲劳试验机对喷涂涂层的疲劳性能进行测试。
1、基体表面不同形状织构下涂层与基体的结合强度
采用拉伸试验机对涂层的结合强度进行测试，所用拉伸试验机的型号为：MTS809型电子万能材料试验机。厂家为：美国MTS公司。对实施例1制备的不同形状的织构化图案，然后喷涂涂层，然后进行拉伸测试，涂层从基体断裂的力比涂层的面积为最终的结合强度，测试结果如图2所示，无织构化的基体表面的结合强度为50MPa，而基体表面不同形状织构下涂层与基体的结合强度在60MPa到70MPa之间，相对于无织构化的基体表面相比，织构化图案显著提高了涂层的结合强度，而且涂层的结合强度随织构化图案的形状而变化，从所选用的图形中，网格图案具有最好的结合强度，结合强度为68MPa。
2、结合强度随织构图案密度的变化
织构化图案在基体或涂层表面所占的面积比即密度，为了测试织构化图案密度对结合强度的影响，选择网格形织构图案的的密度，所制备织构度为15％，20％，25％，30％，35％，对制备的不同密度的网格形的图案进行疲劳测试，所用试验机为常规试验机。测试结果如图3所示，为涂层的结合强度随网格织构密度的变化，可以看出，涂层的结合强度是随织构化密度而变化的，结合强度呈先上升后下降的趋势，且织构化密度有一个最优值，当网格织构密度在30％时，涂层的结合强度最高。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种提高涂层结合强度的方法，其特征在于，这种方法是通过生物仿生学模拟，在基体表面制备织构化图案，随后在有织构化图案的基体表面制备涂层。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)利用激光过程在基体表面制备织构化图案；
(2)利用超音速等离子喷涂方法对步骤(1)所得的基体进行喷涂。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，该方法步骤(1)中的基体还包括清洗打磨处理。
4.如权利要求1～3任意一项所述的方法，其特征在于，步骤(1)中激光过程的具体工艺参数为：激光功率为80-120W，扫面速度为600-900mm/s，频率为15-25HZ。
5.如权利要求1～3任意一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述喷涂工艺参数为喷涂电压120V，喷涂电流440A，喷涂功率55kW，喷涂距离100mm。
6.如权利要求1～3任意一项所述的方法，其特征在于，所述喷涂所选用的涂层为NiCrBSi陶瓷涂层，超音速等离子喷涂得到厚度为100微米的喷涂涂层，其中NiCrBSi粉末的粒度为50-60微米。
7.如权利要求1～3任意一项所述的方法，其特征在于，所述基体为不锈钢。
8.一种能够有效提高喷涂涂层结合强度的织构化图案，其特征在于，所述织构化图案包括任意几何图案或几种几何图案的组合。
9.如权利要求8所述的织构化图案，其特征在于，所述织构化图案为圆、三角形、六边形、沟槽形、网格形、箭头形或条纹形的一种或几种。
10.如权利要求8所述的织构化图案，其特征在于，所述织构化图案的密度为为大于0％，并且小于50％。
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