CN107151770A - 一种改变织构凹陷直径提高等离子喷涂层结合强度的结构和方法 - Google Patents

一种改变织构凹陷直径提高等离子喷涂层结合强度的结构和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种改变织构凹陷直径提高等离子喷涂层结合强度的结构和方法，该方法包括制备织构化图案、参数调整、涂层喷涂和涂层结合强度测试和校验等步骤，其喷涂涂层结合强度能够随着圆形织构图案直径的变化而变化，与现有的织构化提高涂层强度的方法相比较，优化了织构化图案参数；本发明使用激光织构化方法通过控制激光过程的参数在基体表面得到了一定尺寸及密度的规则排列的织构化几何图案。其作为喷涂前处理过程，在材料表面预置不同直径的织构化图案，通过改变织构化图案的直径，探索出不同织构化图案提高喷涂涂层强度的机理，提高了涂层与基体的结合力，便于将其应用到工程实践领域，以延长喷涂涂层的服役寿命。

Description

一种改变织构凹陷直径提高等离子喷涂层结合强度的结构和 方法
技术领域
本发明涉及涂层材料技术领域，具体涉及一种改变织构凹陷直径提高等离子喷涂层结合强度的结构和方法。
背景技术
等离子喷涂涂层能够实现大尺寸零件的加工，且能够得到较厚的涂层厚度，因此被广泛的应用在工程领域，但是因其与基体的结合方式属于机械结合，这就导致喷涂涂层的结合力较低，而基体与涂层的结合强度是影响热喷涂涂层服役性能的至关重要的因素。若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；而喷丸过程虽然能够使基体表面得到一定的粗糙度，但是所得到的图案不规则，不易于控制，并且喷砂过程会导致基体的变形，甚至使基体表面具有显微裂纹。可见，传统的喷涂前粗化处理并不能使涂层的结合力得到有效的提高。
因此，提供一种改变织构凹陷直径提高等离子喷涂层结合强度的方法，作为喷涂前处理过程，从而提高涂层与基体的结合力，以期将其应用到工程实践领域，延长喷涂涂层的服役寿命，就成为本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种改变织构凹陷直径提高等离子喷涂层结合强度的方法，作为喷涂前处理过程，从而提高涂层与基体的结合力，以期将其应用到工程实践领域，延长喷涂涂层的服役寿命。本发明的另一目的是提供一种改变织构凹陷直径提高等离子喷涂层结合强度的结构。
为了实现本发明的目的，本发明提供了一种改变织构凹陷直径提高等离子喷涂层结合强度的方法，包括以下步骤：
1)制备织构化图案：基于生物仿生学，利用激光过程在基体表面进行圆形图案的织构化加工；
2)参数调整：根据步骤1)中形成的织构化图案调整喷涂工艺参数和织构化图案参数，以得到不同直径的织构化图案；
3)涂层喷涂：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；
4)涂层结合强度测试和校验：通过扫描电子显微镜观察喷涂前织构的几何形貌和喷涂后涂层横截面的SEM形貌；使用胶粘纸把棒状零件粘接在涂层表面，通过测量拉开零件使涂层从基片上剥离所需力的大小，求得涂层的附着力。
进一步地，在步骤1)之前还包括基体预处理步骤，对基体的表面进行打磨清洗处理。
进一步地，在步骤1)中所制备织构化图案的间距为70微米，图案直径为以下至少一种：40微米、60微米、80微米、100微米或120微米。
进一步地，在步骤1)中，所用基体为FV520B。
进一步地，步骤2)中所述喷涂工艺参数为：激光功率16W，扫描速度800mm/s，加工次数为1次。
进一步地，所得到的织构化图案加工深度为60微米。
进一步地，在步骤3)中所选用的涂层为NiCrBSi陶瓷涂层，通过超音速等离子喷涂得到厚度为500微米左右的喷涂涂层，其中NiCrBSi粉末的粒度为50-60微米。
本发明还提供一种改变织构凹陷直径提高等离子喷涂层结合强度的方法，包括基体、在所述基体上制备形成的圆形图案的织构化图案，和在所述织构化图案上喷涂形成的涂层。
优选地，所述织构化图案的间距为70微米，图案直径为以下至少一种：40微米、60微米、80微米、100微米或120微米。
优选地，所述基体为不锈钢，所述涂层为NiCrBSi陶瓷涂层。
本发明的有益效果如下：
本发明提供的方法通过改变织构化图案形状来改变喷涂涂层结合强度，其喷涂涂层结合强度能够随着圆形织构图案直径的变化而变化，与现有的织构化提高涂层强度的方法相比较，优化了织构化图案参数；本发明使用激光织构化方法通过控制激光过程的参数在基体表面得到了一定尺寸及密度的规则排列的织构化几何图案。其作为喷涂前处理过程，在材料表面预置不同直径的织构化图案，通过改变织构化图案的直径，探索出不同织构化图案提高喷涂涂层强度的机理，并进一步探索出能有效提高涂层结合强度的较优的织构化图案直径，提高了涂层与基体的结合力，便于将其应用到工程实践领域，以延长喷涂涂层的服役寿命。
附图说明
图1-1为实施例一中织构图案下喷涂涂层成形情况；
图1-2为实施例一中织构图案下喷涂颗粒沉积状态；
图2-1为实施例二中织构图案下喷涂涂层成形情况；
图2-2为实施例二中织构图案下喷涂颗粒沉积状态；
图3-1为实施例三中织构图案下喷涂涂层成形情况；
图3-2为实施例三中织构图案下喷涂颗粒沉积状态；
图4-1为实施例四中织构图案下喷涂涂层成形情况；
图4-2为实施例四中织构图案下喷涂颗粒沉积状态；
图5-1为实施例五中织构图案下喷涂涂层成形情况；
图5-2为实施例五中织构图案下喷涂颗粒沉积状态；
图6为织构化图案直径对结合强度的影响测试结果图。
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。
实施例一
本发明提供了一种改变织构凹陷直径提高等离子喷涂层结合强度的方法，该方法具体包括以下步骤：
S11基体预处理步骤，对基体的表面进行打磨清洗处理，以去除基体表面杂质，提高喷涂效果；
S12制备织构化图案：基于生物仿生学，利用激光过程在基体表面进行圆形图案的织构化加工；
S13参数调整：根据步骤S12中形成的织构化图案调整喷涂工艺参数和织构化图案参数，以得到直径40微米、间距70微米的织构化图案；具体地，对于间距为70微米、直径为40微米的织构化图案，激光功率16W，扫描速度800mm/s，加工次数为1次；
S14涂层喷涂：利用超音速等离子喷涂方法对步骤S12所得的基体进行喷涂；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。
S15涂层结合强度测试和校验：通过扫描电子显微镜观察喷涂前织构的几何形貌和喷涂后涂层横截面的SEM形貌；使用胶粘纸把棒状零件粘接在涂层表面，通过测量拉开零件使涂层从基片上剥离所需力的大小，求得涂层的附着力。
实施例二
本发明提供了一种改变织构凹陷直径提高等离子喷涂层结合强度的方法，该方法具体包括以下步骤：
S21基体预处理步骤，对基体的表面进行打磨清洗处理，以去除基体表面杂质，提高喷涂效果；
S22制备织构化图案：基于生物仿生学，利用激光过程在基体表面进行圆形图案的织构化加工；
S23参数调整：根据步骤S22中形成的织构化图案调整喷涂工艺参数和织构化图案参数，以得到直径60微米、间距70微米的织构化图案；具体地，对于间距为70微米、直径为60微米的织构化图案，激光功率16W，扫描速度800mm/s，加工次数为1次；
S24涂层喷涂：利用超音速等离子喷涂方法对步骤S22所得的基体进行喷涂；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。
S25涂层结合强度测试和校验：通过扫描电子显微镜观察喷涂前织构的几何形貌和喷涂后涂层横截面的SEM形貌；使用胶粘纸把棒状零件粘接在涂层表面，通过测量拉开零件使涂层从基片上剥离所需力的大小，求得涂层的附着力。
实施例三
本发明提供了一种改变织构凹陷直径提高等离子喷涂层结合强度的方法，该方法具体包括以下步骤：
S31基体预处理步骤，对基体的表面进行打磨清洗处理，以去除基体表面杂质，提高喷涂效果；
S32制备织构化图案：基于生物仿生学，利用激光过程在基体表面进行圆形图案的织构化加工；
S33参数调整：根据步骤S32中形成的织构化图案调整喷涂工艺参数和织构化图案参数，以得到直径80微米、间距70微米的织构化图案；具体地，对于间距为70微米、直径为80微米的织构化图案，激光功率16W，扫描速度800mm/s，加工次数为1次；
S34涂层喷涂：利用超音速等离子喷涂方法对步骤S32所得的基体进行喷涂；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。
S35涂层结合强度测试和校验：通过扫描电子显微镜观察喷涂前织构的几何形貌和喷涂后涂层横截面的SEM形貌；使用胶粘纸把棒状零件粘接在涂层表面，通过测量拉开零件使涂层从基片上剥离所需力的大小，求得涂层的附着力。
实施例四
本发明提供了一种改变织构凹陷直径提高等离子喷涂层结合强度的方法，该方法具体包括以下步骤：
S41基体预处理步骤，对基体的表面进行打磨清洗处理，以去除基体表面杂质，提高喷涂效果；
S42制备织构化图案：基于生物仿生学，利用激光过程在基体表面进行圆形图案的织构化加工；
S43参数调整：根据步骤S42中形成的织构化图案调整喷涂工艺参数和织构化图案参数，以得到直径100微米、间距70微米的织构化图案；具体地，对于间距为70微米、直径为100微米的织构化图案，激光功率16W，扫描速度800mm/s，加工次数为1次；
S44涂层喷涂：利用超音速等离子喷涂方法对步骤S42所得的基体进行喷涂；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。
S45涂层结合强度测试和校验：通过扫描电子显微镜观察喷涂前织构的几何形貌和喷涂后涂层横截面的SEM形貌；使用胶粘纸把棒状零件粘接在涂层表面，通过测量拉开零件使涂层从基片上剥离所需力的大小，求得涂层的附着力。
实施例五
本发明提供了一种改变织构凹陷直径提高等离子喷涂层结合强度的方法，该方法具体包括以下步骤：
S51基体预处理步骤，对基体的表面进行打磨清洗处理，以去除基体表面杂质，提高喷涂效果；
S52制备织构化图案：基于生物仿生学，利用激光过程在基体表面进行圆形图案的织构化加工；
S53参数调整：根据步骤S52中形成的织构化图案调整喷涂工艺参数和织构化图案参数，以得到直径120微米、间距70微米的织构化图案；具体地，对于间距为70微米、直径为120微米的织构化图案，激光功率16W，扫描速度800mm/s，加工次数为1次；
S54涂层喷涂：利用超音速等离子喷涂方法对步骤S52所得的基体进行喷涂；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。
S55涂层结合强度测试和校验：通过扫描电子显微镜观察喷涂前织构的几何形貌和喷涂后涂层横截面的SEM形貌；使用胶粘纸把棒状零件粘接在涂层表面，通过测量拉开零件使涂层从基片上剥离所需力的大小，求得涂层的附着力。
在上述各实施例中，所用基体为不锈钢，具体为FV520B，所得到的织构化图案加工深度为60微米，所选用的涂层为NiCrBSi陶瓷涂层，通过超音速等离子喷涂得到厚度为500微米左右的喷涂涂层，其中NiCrBSi粉末的粒度为50-60微米。所用激光为脉冲激光，其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。
对比例
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。
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。对上述各实施例中制备的不同形状的织构化图案进行涂层喷涂后进行拉伸测试，涂层从基体断裂的力比涂层的面积为最终的结合强度。
其中实施例一中织构图案下喷涂涂层成形情况如图1-1所示，其喷涂颗粒沉积状态如图1-2所示；实施例二中织构图案下喷涂涂层成形情况如图2-1所示，其喷涂颗粒沉积状态如图2-2所示；实施例三中织构图案下喷涂涂层成形情况如图3-1所示，其喷涂颗粒沉积状态如图3-2所示；实施例四中织构图案下喷涂涂层成形情况如图4-1所示，其喷涂颗粒沉积状态如图4-2所示；实施例五中织构图案下喷涂涂层成形情况如图5-1所示，其喷涂颗粒沉积状态如图5-2所示。
测试结果如图6所示，同样是圆形织构化图案下，不同图案直径下涂层与基体的结合强度明显不同，直径在40微米时结合强度最低，为33MPa，直径在120微米时结合强度最高，为43MPa，直径在60微米时结合强度为41MPa，直径在80微米时结合强度为42MPa，直径为100微米时结合强度为40.5MPa；直径在40-60微米之间时，结合强度与直径成正比，直径在60-80微米之间时，结合强度与直径成正比，但斜率小于直径在40-60微米时正比例线的斜率，直径在80-100微米时，结合强度与直径成反比，直径在100-120微米时，结合强度与直径成正比。
本发明提供的方法通过改变织构化图案形状来改变喷涂涂层结合强度，其喷涂涂层结合强度能够随着圆形织构图案直径的变化而变化，与现有的织构化提高涂层强度的方法相比较，优化了织构化图案参数；本发明使用激光织构化方法通过控制激光过程的参数在基体表面得到了一定尺寸及密度的规则排列的织构化几何图案。其作为喷涂前处理过程，在材料表面预置不同直径的织构化图案，通过改变织构化图案的直径，探索出不同织构化图案提高喷涂涂层强度的机理，并进一步探索出能有效提高涂层结合强度的较优的织构化图案直径，提高了涂层与基体的结合力，便于将其应用到工程实践领域，以延长喷涂涂层的服役寿命。
本发明还提供一种改变织构凹陷直径提高等离子喷涂层结合强度的结构，包括基体、在所述基体上制备形成的圆形图案的织构化图案，和在所述织构化图案上喷涂形成的涂层；其中织构化图案的间距为70微米，图案直径为以下至少一种：40微米、60微米、80微米、100微米或120微米，所述基体为不锈钢，具体为FV520B，所述涂层为NiCrBSi陶瓷涂层。
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)

1.一种改变织构凹陷直径提高等离子喷涂层结合强度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)制备织构化图案：基于生物仿生学，利用激光过程在基体表面进行圆形图案的织构化加工；
2)参数调整：根据步骤1)中形成的织构化图案调整喷涂工艺参数和织构化图案参数，以得到不同直径的织构化图案；
3)涂层喷涂：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；
4)涂层结合强度测试和校验：通过扫描电子显微镜观察喷涂前织构的几何形貌和喷涂后涂层横截面的SEM形貌；使用胶粘纸把棒状零件粘接在涂层表面，通过测量拉开零件使涂层从基片上剥离所需力的大小，求得涂层的附着力。
2.如权利要求1所述的提高涂层结合强度的方法，其特征在于，在步骤1)之前还包括基体预处理步骤，对基体的表面进行打磨清洗处理。
3.如权利要求1所述的提高涂层结合强度的方法，其特征在于，在步骤1)中所制备织构化图案的间距为70微米，图案直径为以下至少一种：40微米、60微米、80微米、100微米或120微米。
4.如权利要求3所述的提高涂层结合强度的方法，其特征在于，在步骤1)中，所用基体为FV520B。
5.如权利要求4所述的提高涂层结合强度的方法，其特征在于，步骤2)中所述喷涂工艺参数为：激光功率16W，扫描速度800mm/s，加工次数为1次。
6.如权利要求5所述的提高涂层结合强度的方法，其特征在于，所得到的织构化图案加工深度为60微米。
7.如权利要求1-6任一项所述的提高涂层结合强度的方法，其特征在于，在步骤3)中所选用的涂层为NiCrBSi陶瓷涂层，通过超音速等离子喷涂得到厚度为500微米左右的喷涂涂层，其中NiCrBSi粉末的粒度为50-60微米。
8.一种改变织构凹陷直径提高等离子喷涂层结合强度的结构，其特征在于，包括基体、在所述基体上制备形成的圆形图案的织构化图案，和在所述织构化图案上喷涂形成的涂层。
9.如权利要求8所述的结构，其特征在于，所述织构化图案的间距为70微米，图案直径为以下至少一种：40微米、60微米、80微米、100微米或120微米。
10.如权利要求8所述的结构，其特征在于，所述基体为不锈钢，所述涂层为NiCrBSi陶瓷涂层。
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