CN107177810A - 复合织构图案提高镍基涂层结合强度的结构和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种复合织构图案提高镍基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，其通过将沟槽形与圆形相结合形成的织构化图案来提高喷涂涂层结合强度，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；其作为喷涂前处理过程，在材料表面预置沟槽形与圆形相交替织构化图案，探索出沟槽形与圆形交替组合形成的织构图案对于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

复合织构图案提高镍基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，具体涉及一种基于沟槽形与圆形交替组合形成复合织构图案来提高镍基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，提供一种复合织构图案提高镍基涂层结合强度的方法，作为喷涂前处理过程，通过研究织构形状组合与结合强度之间的关系，从而调整和选择织构图案形式，以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复合织构图案提高镍基涂层结合强度的方法，作为喷涂前处理过程，通过研究织构形状组合与结合强度之间的关系，从而调整和选择织构图案形式，以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提高涂层结合强度的结构。

为了实现本发明的目的，本发明提供了一种复合织构图案提高镍基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沟槽形和圆形交替组合图案的织构化加工；

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，以得到具有预设宽度的沟槽形和具有预设直径的圆形交替组合形成的织构化图案，所述织构化图案的织构步骤为：首先织构至少三列圆形图案，相邻两列圆形图案之间预留预设距离，且该预设距离大于预织构沟槽形的宽度，而后在相邻两列圆形图案之间织构沟槽形图案；

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)中所制备的织构化图案中，其相邻沟槽形与圆形之间的间距为60微米，沟槽形的宽度为以下至少一种：15微米、25微米、40微米或60微米，圆形的直径为以下至少一种：15微米、25微米、40微米、60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15W，扫描速度900mm/s，加工次数为2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。

本发明还提供一种复合织构图案提高镍基涂层结合强度的结构，包括基体、在所述基体上制备形成的织构化图案，和在所述织构化图案上喷涂形成的涂层；所述织构化图案包括多列沟槽形图案和多列圆形图案，所述沟槽形图案与所述圆形图案交替分布，相邻两列沟槽形图案之间设置有一列圆形图案。

优选地，所述织构化图案中相邻沟槽形与圆形之间的间距为60微米，沟槽形的宽度为以下至少一种：15微米、25微米、40微米或60微米，圆形的直径为以下至少一种：15微米、25微米、40微米或60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的结合方式来改变喷涂涂层结合强度，当织构化图案为单一沟槽形、单一圆形和沟槽形与圆形的交替组合三种不同形式下，其喷涂涂层结合强度随图案组合形式的不同而不同，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，在材料表面预置沟槽形和圆形交替组合形成的织构化图案，与单一沟槽形织构化图案及单一圆形织构化图案相比较，组合图案能够克服单一图案在某一方向的应力集中和结合薄弱点一致的问题，即在单一沟槽形织构化图案中，每一个沟槽形的薄弱点是位置相同或相近的，就导致整体上某一方向特别容易开裂，而组合图案中，沟槽形织构图案与圆形织构化图案之间的薄弱点是不同的，两者组合织构在一起能够实现互补，从而提高整体的结合强度，通过改变传统织构化图案类型单一的特征，探索出沟槽形与圆形织构图案相结合以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参数，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为单一图案和组合图案对结合强度的影响测试结果图；

图2为不同尺寸规格下组合图案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

本发明提供了一种复合织构图案提高镍基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沟槽形和圆形交替组合图案的织构化加工；

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，以得到沟槽形和圆形交替组合形成的织构化图案，该织构化图案中，相邻沟槽形与圆形之间的间距为60微米，沟槽形的宽度为15微米、圆形的直径为15微米；具体地，该形状参数下的织构化图案，激光功率15W，扫描速度900mm/s，加工次数为2次；所述织构化图案的织构步骤为：首先织构至少三列圆形图案，相邻两列圆形图案之间预留预设距离，且该预设距离大于预织构沟槽形的宽度，而后在相邻两列圆形图案之间织构沟槽形图案。

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

本发明提供了一种复合织构图案提高镍基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沟槽形和圆形交替组合图案的织构化加工；

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，以得到沟槽形和圆形交替组合形成的织构化图案，该织构化图案中，相邻沟槽形与圆形之间的间距为60微米，沟槽形的宽度为25微米、圆形的直径为25微米；具体地，该形状参数下的织构化图案，激光功率15W，扫描速度900mm/s，加工次数为2次；所述织构化图案的织构步骤为：首先织构至少三列圆形图案，相邻两列圆形图案之间预留预设距离，且该预设距离大于预织构沟槽形的宽度，而后在相邻两列圆形图案之间织构沟槽形图案。

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

本发明提供了一种复合织构图案提高镍基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沟槽形和圆形交替组合图案的织构化加工；

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，以得到沟槽形和圆形交替组合形成的织构化图案，该织构化图案中，相邻沟槽形与圆形之间的间距为60微米，沟槽形的宽度为40微米、圆形的直径为40微米；具体地，该形状参数下的织构化图案，激光功率15W，扫描速度900mm/s，加工次数为2次；所述织构化图案的织构步骤为：首先织构至少三列圆形图案，相邻两列圆形图案之间预留预设距离，且该预设距离大于预织构沟槽形的宽度，而后在相邻两列圆形图案之间织构沟槽形图案。

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

本发明提供了一种复合织构图案提高镍基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沟槽形和圆形交替组合图案的织构化加工；

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，以得到沟槽形和圆形交替组合形成的织构化图案，该织构化图案中，相邻沟槽形与圆形之间的间距为60微米，沟槽形的宽度为60微米、圆形的直径为60微米；具体地，该形状参数下的织构化图案，激光功率15W，扫描速度900mm/s，加工次数为2次；所述织构化图案的织构步骤为：首先织构至少三列圆形图案，相邻两列圆形图案之间预留预设距离，且该预设距离大于预织构沟槽形的宽度，而后在相邻两列圆形图案之间织构沟槽形图案。

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。

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及组合织构图案时不同图案规格下，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各种尺寸规格的圆形与沟槽形交替组合形成的织构化图案之间、以及这些组合图案与单一圆形图案、单一沟槽形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。

测试结果如图1和图2所示，图1为组合图案与单一圆形图案、单一沟槽形图案的结合强度对比曲线，图2为同样是圆形与沟槽形交替组合形成的织构化图案下，不同图案尺寸规格下涂层与基体的结合强度。组合形成的织构化图案在不同的尺寸规格下的结合强度对照如下表所示：

表1组合形成的织构化图案在不同的尺寸规格下的结合强度对照

当织构图案为圆形和沟槽形交替组合形成的图案时，沟槽形的宽度和圆形的直径均会对结合强度造成影响，以上表取样点为例，沟槽形的宽度在15微米、圆形的直径在15微米时结合强度最低，为28MPa，宽度在60微米、圆形的直径为60微米时结合强度最高，为56MPa，宽度在25微米、直径为25微米时结合强度为35MPa，宽度在40微米、直径为40微米时结合强度为48MPa；可见，宽度在15-60微米之间、直径在15-60微米之间时，结合强度随宽度及直径的增加而增大。

相比于单一织构图案，交替组合织构的图案具有更高的结合强度，单一沟槽形织构图案、单一圆形织构图案以及由圆形和沟槽形交替组合形成的织构化图案在同等尺寸规格下的结合强度对照如下表所示：

表2单一图案和组合图案在同等尺寸规格下的结合强度对照

本发明提供的方法通过改变织构化图案的结合方式来改变喷涂涂层结合强度，当织构化图案为沟槽形、圆形和沟槽形与圆形的交替组合三种不同形式下，其喷涂涂层结合强度随图案组合形式的不同而不同，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，在材料表面预置沟槽形和圆形交替组合形成的织构化图案，与单一沟槽形织构化图案及单一圆形织构化图案相比较，组合图案能够克服单一图案在某一方向的应力集中和结合薄弱点一致的问题，即在单一沟槽形织构化图案中，每一个沟槽形的薄弱点是位置相同或相近的，就导致整体上某一方向特别容易开裂，而组合图案中，沟槽形织构图案与圆形织构化图案之间的薄弱点是不同的，两者组合织构在一起能够实现互补，从而提高整体的结合强度，通过改变传统织构化图案类型单一的特征，探索出沟槽形与圆形织构图案相结合以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参数，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。

本发明还提供一种复合织构图案提高镍基涂层结合强度的结构，包括基体、在所述基体上制备形成的织构化图案，和在所述织构化图案上喷涂形成的涂层；所述织构化图案包括多列沟槽形图案和多列圆形图案，所述沟槽形图案与所述圆形图案交替分布，相邻两列沟槽形图案之间设置有一列圆形图案；其中所述织构化图案中相邻沟槽形与圆形之间的间距为60微米，沟槽形的宽度为以下至少一种：15微米、25微米、40微米或60微米，圆形的直径为以下至少一种：15微米、25微米、40微米、或60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)

1.一种复合织构图案提高镍基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沟槽形和圆形交替组合图案的织构化加工；

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，以得到具有预设宽度的沟槽形和具有预设直径的圆形交替组合形成的织构化图案，所述织构化图案的织构步骤为：首先织构至少三列圆形图案，相邻两列圆形图案之间预留预设距离，且该预设距离大于预织构沟槽形的宽度，而后在相邻两列圆形图案之间织构沟槽形图案；

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)中所制备的织构化图案中，其相邻沟槽形与圆形之间的间距为60微米，沟槽形的宽度为以下至少一种：15微米、25微米、40微米或60微米，圆形的直径为以下至少一种：15微米、25微米、40微米或60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15W，扫描速度900mm/s，加工次数为2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。

8.一种复合织构图案提高镍基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织构化图案，和在所述织构化图案上喷涂形成的涂层；所述织构化图案包括多列沟槽形图案和多列圆形图案，所述沟槽形图案与所述圆形图案交替分布，相邻两列沟槽形图案之间设置有一列圆形图案。

9.如权利要求8所述的结构，其特征在于，所述织构化图案中相邻沟槽形与圆形之间的间距为60微米，沟槽形的宽度为以下至少一种：15微米、25微米、40微米或60微米，圆形的直径为以下至少一种：15微米、25微米、40微米、60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。