CN106676454B - 一种三层图案化耦合作用提高涂层抗疲劳性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三层图案化耦合作用提高涂层抗疲劳性能的方法，这种方法是通过生物仿生学模拟，在基体表面及涂层表面制备织构化图案，并控制喷涂过程中参数，使涂层内部具备一定厚度的明暗相，通过基体表面织构，涂层明暗相图案的厚度及涂层表面织构的互相耦合作用来提高涂层的抗疲劳性能。本发明的涂层面织构化，因织构化图案形貌的不同能够改变接触条件，继而导致接触力的变化，能够有效提高涂层的抗疲劳性能；涂层界面织构化，因织构化的引入能够提供为涂层提供更多的抛锚点，能够有效提高涂层的结合强度；织构化与涂层自身明暗相结构相配合形成三维一体织构化图案能够提高涂层的服役性能。

Description

一种三层图案化耦合作用提高涂层抗疲劳性能的方法

技术领域

本发明涉及喷涂材料技术领域，具体涉及一种三层图案化耦合作用提高涂层抗疲劳性能的方法。

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。

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，但是将织构作为一种喷涂前处理手段来提高喷涂涂层的结合力、将其作为一种后处理手段来提高喷涂涂层的抗疲劳性能并将织构化图案与喷涂涂层明暗相结构相配合来实现三位一体织构化的锁合作用最终实现涂层服役性能的提高的研究较少。

发明内容

为了能够提高涂层的服役寿命，扩展涂层的性能，本发明的目的是提供一种三层图案化耦合作用提高涂层抗疲劳性能的方法。

本发明的又一目的在于提供一种能够有效提高喷涂涂层抗疲劳性能的织构化图案。

为了实现本发明的目的，本发明提供了一种三层图案化耦合作用提高涂层抗疲劳性能的方法，这种方法是通过生物仿生学模拟，在基体表面及涂层表面制备织构化图案，并控制喷涂过程中参数，使涂层内部具备一定厚度的明暗相，基体表面织构与涂层自身明暗相结构相配合形成三维一体织构化图案，通过基体表面织构，涂层明暗相图案的厚度及涂层表面织构的互相耦合作用来提高涂层的抗疲劳性能。

具体地，本发明的方法包括如下步骤：

(1)利用激光过程对基体表面进行织构化处理；

(2)利用超音速等离子喷涂方法对基体进行喷涂；

(3)调整喷涂过程参数，使涂层具备一定的明暗相结构；

(4)利用激光过程对涂层表面进行织构化处理。

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微米的喷涂涂层，其中NiCrBSi粉末的粒度为50-60微米。

优选的，步骤(3)中所述喷涂工艺参数为：喷涂功率45-85kW；其中，所述黑层，喷涂距离80-140mm，喷涂速度为6-10g/min；所述白层，喷涂距离为120-160mm，喷涂速度为9-12g/min；涂层的明暗层厚度分别为：白层4-6μm，黑层2-7μm。更优选为：白层5μm，黑层4μm。

优选的，步骤(4)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。通过控制激光的能量来控制所选织构的深度，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。

进一步地，本发明提供了一种能够有效提高喷涂涂层抗疲劳性能的织构化图案。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。

更优选的，所述织构化图案的密度为大于0％，并且小于50％；织构化图案在基体或涂层表面所占的面积比即密度。

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。

本发明的有益效果如下：

本发明的涂层面织构化，因织构化图案形貌的不同能够改变接触条件，继而导致接触力的变化，能够有效提高涂层的抗疲劳性能；涂层界面织构化，因织构化的引入能够提供为涂层提供更多的抛锚点，能够有效提高涂层的结合强度；织构化与涂层自身明暗相结构相配合形成三维一体织构化图案能够提高涂层的服役性能。因此基体表面织构化、涂层表面织构化以及涂层内部明暗相结构的三层图案耦合作用能够显著提高涂层的抗疲劳性能。

附图说明

图1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2本发明涂层结合强度随织构密度的变化

图3本发明涂层表面不同织构形状下涂层的疲劳强度；

图4本发明涂层的疲劳强度随结合强度的变化；

图5本发明疲劳强度随箭头形织构角度的变化；

图6本发明涂层疲劳强度随涂层内部明暗层厚度的变化；

图7本发明涂层硬度随涂层明暗层厚度的变化；

图8本发明涂层疲劳强度随硬度的变化；

图9本发明基体表面织构、涂层内部明暗层与涂层表面织构三层织构耦合作用示意图。

附图标记如下：

基体1，涂层2，基体表面织构化3，涂层表面织构化4，涂层内部明暗层5。

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制备三层织构耦合的涂层

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：

利用激光过程对基体表面进行织构化处理

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。

其中，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；

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；

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；

六边形织构边长为150微米，间距为200微米。

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。

第四步

调整喷涂过程参数，使涂层具备一定的明暗相结构；

步骤(4)中喷涂工艺参数为，喷涂功率80kW，所述黑层的喷涂距离为140mm，喷涂速度为10g/min；所述白层的喷涂距离100mm，喷涂速度8g/min；得到涂层的明暗层厚度为：白层5μm，黑层4μm。

第五步

利用激光过程对涂层表面进行织构化处理

激光功率为80W，扫描速度为600mm/s，频率为20HZ，通过激光织构的方法可以得到深度为60微米，密度为40％的织构化图案，具体图案为：圆形与条纹形，六边形，三角形，箭头形，条纹形。

其中圆形与条纹形组合，条纹形宽度为50微米，条纹间距为70微米，圆形均匀分布在条纹形织构中间，直径为50微米；

六边形边长为60微米，间距为70微米；

三角形边长为95微米，两个三角形底边定点间距为70微米；

箭头形宽度为60微米，宽度为两条边的垂直距离，每个箭头的间距为70微米；

条纹形宽度为50微米，间距为70微米。

其中，基体表面为网格形涂层表面，涂层表面为箭头形的三层织构化耦合涂层的示意图请参见附图9。

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Nova NanoSEM450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1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的变化

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2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。

3、涂层表面不同织构形状下涂层的疲劳强度

为了测试涂层织构化图案对涂层结合强度的影响，对织构化的涂层进行疲劳强度测试，所用设备为常用疲劳试验机。测试结果如图3所示，无织构化的涂层表面的结合强度为500MPa，而涂层表面不同形状织构下的疲劳强度在500MPa到600MPa之间，相对于无织构化的涂层表面，有织构化图案的涂层表面具有较好的抗疲劳强度，且涂层的疲劳强度随织构化图案的形状而改变，在所选的图形当中，箭头形织构具有最优的疲劳强度，为590MPa。

4、涂层的疲劳强度随结合强度的变化

为了测试涂层的疲劳强度随结合强度的变化，以优选实例1第一步中基体表面织构化得图案，测试了涂层的疲劳强度随结合强度(及第1点中所得到的涂层的结合强度)的变化，所用设备为疲劳试验机，型号与厂家与实例3中第2点一致。测试结果如图4所示，为涂层的疲劳强度随结合强度的变化曲线，可以看出，涂层的疲劳强度是随结合强度的增加而增加的，即双层织构的耦合作用能够显著提高涂层的疲劳强度。

5、疲劳强度随箭头形织构角度的变化

为了测试实例3中第2点中箭头形织构的角度对涂层疲劳强度的影响，变化箭头形的角度，所制备箭头形角度为15度，25度，35度，45度，对制备的不同角度的箭头形的图案进行疲劳测试，所用试验机与实例3中第2点中一致。测试结果如图5所示，为涂层的疲劳强度随箭头织构角度的变化，可以看出，涂层的疲劳强度是随织构化角度而变化的，且织构化角度有一个最优值，当箭头织构角度在35度时，涂层的疲劳强度最高。

6、涂层疲劳强度随涂层明暗相的变化

使用疲劳试验机对涂层中白层厚度分别为1-3微米，2-4微米，3-5微米，4-6微米，5-7微米的涂层进行疲劳测试，测试结果如图6所示，发现涂层的疲劳强度是随着涂层中白层的厚度而变化的，当涂层中白层厚度为4-6微米时，涂层的疲劳强度最大，为780HV。

7、为涂层硬度随涂层明暗相中白层厚度的变化

使用硬度显微计对涂层的硬度进行测试，探索涂层硬度随明暗层厚度的变化，测试结果如图7所示，发现在涂层中的白层厚度为4-6微米时，涂层的硬度最大，为780HV。

8、为涂层的抗疲劳强度随硬度的变化

对不同硬度的涂层进行疲劳测试，使用滚动接触疲劳试验机，测试结果如图8所示，发现涂层的疲劳强度是随涂层硬度的升高而升高的。

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 (9)

1.一种三层图案化耦合作用提高涂层抗疲劳性能的方法，其特征在于，这种方法是通过生物仿生学模拟，在基体表面及涂层表面制备织构化图案，并控制喷涂过程中参数，使涂层内部具备一定厚度的明暗相间隔结构，其中，黑层的喷涂距离80-140mm，喷涂速度为6-10g/min；白层的喷涂距离为120-160mm，喷涂速度为9-12g/min；白层厚度为4-6μm，黑层厚度为2-7μm；基体表面织构与涂层自身明暗相结构相配合形成三维一体织构化图案，通过基体表面织构，涂层明暗相图案的厚度及涂层表面织构的互相耦合作用来提高涂层的抗疲劳性能。

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)利用激光过程对基体表面进行织构化处理；

(2)利用超音速等离子喷涂方法对基体进行喷涂；

(3)调整喷涂过程参数，使涂层具备一定的明暗相间隔结构；

(4)利用激光过程对涂层表面进行织构化处理。

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2～3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，扫描速度为600-900mm/s，频率为15-25HZ。

5.如权利要求2～3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，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2～3任意一项所述的方法，其特征在于，步骤(3)中所述喷涂工艺参数为：喷涂功率45-85kW。

8.如权利要求2～3任意一项所述的方法，其特征在于，步骤(4)中激光过程的具体工艺参数为：激光功率为80-120W，扫描速度为600-900mm/s，频率为15-25HZ。

9.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。