CN114000144B - 零件及其涂层制备方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种零件及其涂层制备方法。涂层包括粘结层和工作层，涂层制备方法包括：根据试验或仿真得到的第一粘结层试样的表面形貌参数与试验或仿真得到第一粘结层试样时所采用的工艺参数的对应关系，获取使粘结层的表面形貌参数达到预设值的工艺参数的目标值；采用目标值作为涂覆粘结层的工艺参数，在零件的基体的表面涂覆粘结层，以使粘结层的表面形貌参数达到预设值；和在粘结层的表面涂覆工作层涂层制备方法。本公开提供的零件及其涂层制备方法利于高效地制备高质量、高性能的复合涂层。

Description

零件及其涂层制备方法
技术领域
本公开涉及材料表面处理技术领域，特别涉及一种零件及其涂层制备方法。
背景技术
工程机械的主机产品中，液压执行元件等重要的部件在严苛环境中的服役性能直接影响主机产品的整体性能。例如，对于海洋工程装备中的液压缸，其活塞杆不仅处于高盐、高湿等腐蚀环境，而且长期承受海浪等产生的交变载荷的往复冲击。为了使这些重要的零部件兼具高耐蚀、高耐磨、高抗疲劳等服役性能，可以通过在零件的基体上涂覆复合涂层以防止基体直接暴露于严苛环境中。然而，复合涂层和基体之间以及复合涂层内部均可能存在机械结合形式的结合面，容易因结合强度不足造成复合涂层部分或整体脱落。
发明内容
本公开的目的在于提供一种零件及其涂层制备方法，以高效地制备高质量、高性能的复合涂层。
本公开第一方面提供零件的涂层制备方法，所述涂层包括粘结层和工作层，所述涂层制备方法包括：
根据试验或仿真得到的第一粘结层试样的表面形貌参数与试验或仿真得到所述第一粘结层试样时所采用的工艺参数的对应关系，获取使所述粘结层的表面形貌参数达到预设值的所述工艺参数的目标值；
采用所述目标值作为涂覆所述粘结层的工艺参数，在所述零件的基体的表面涂覆所述粘结层，以使所述粘结层的表面形貌参数达到所述预设值；和
在所述粘结层的表面涂覆所述工作层。
根据本公开的一些实施例，根据试验或仿真得到的第一粘结层试样的表面形貌参数与试验或仿真得到所述第一粘结层试样时所采用的工艺参数的对应关系，获取使所述粘结层的表面形貌参数达到预设值的所述工艺参数的目标值包括：
采用不同的所述工艺参数制备多个所述第一粘结层试样；
获取多个所述第一粘结层试样的所述表面形貌参数；
根据多个所述第一粘结层试样的所述工艺参数和多个所述第一粘结层试样的表面形貌参数，拟合用于表示所述工艺参数与所述粘结层的表面形貌参数的对应关系的所述第一数学模型；
根据所述零件对所述涂层的力学性能要求，确定所述粘结层的表面形貌参数的所述预设值；和
根据所述第一数学模型和所述粘结层的表面形貌参数的所述预设值，获取所述工艺参数的目标值。
根据本公开的一些实施例，所述涂层制备方法还包括：
获取试验或仿真得到的第二粘结层试样和试验或仿真得到的工作层试样的结合强度以及所述第二粘结层试样的表面形貌参数的对应关系，以评价所述粘结层的所述表面形貌参数对所述粘结层和所述工作层的结合强度的影响。
根据本公开的一些实施例，获取试验或仿真得到的第二粘结层试样和试验或仿真得到的工作层试样的结合强度以及所述第二粘结层试样的表面形貌参数的对应关系包括：
制备多个具有不同的所述表面形貌参数的所述第二粘结层试样；
在多个所述第二粘结层试样的表面结合所述工作层试样；
获取多个所述第二粘结层试样与所述工作层试样的结合强度；和
根据多个所述第二粘结层试样的表面形貌参数以及所述第二粘结层试样与所述工作层试样的结合强度，拟合用于表示粘结层的表面形貌参数与所述粘结层和所述工作层的结合强度的对应关系的第二数学模型。
根据本公开的一些实施例，所述表面形貌参数包括表面均方根偏差Sq和表面均方根坡度SΔq。
根据本公开的一些实施例，所述第二数学模型为：
其中，B表示所述粘结层和所述工作层的结合强度，C、λ1、λ2、k1、k2表示拟合系数。
根据本公开的一些实施例，采用所述目标值作为涂覆所述粘结层的工艺参数，在所述零件的基体的表面涂覆所述粘结层包括：
提供制备所述粘结层所采用的涂覆材料；和
采用所述目标值将所述涂覆材料通过激光熔覆工艺涂覆于所述基体的表面，以形成所述粘结层。
根据本公开的一些实施例，所述工艺参数包括以下参数至少之一：激光功率P、扫描速度v、光斑直径d和搭接率n。
根据本公开的一些实施例，采用所述目标值将所述涂覆材料通过激光熔覆工艺涂覆于所述基体的表面包括：
将所述涂覆材料输送至所述基体的表面；和
通过第一加热源熔化输送至所述基体的表面的一部分所述涂覆材料，所述第一加热源为激光源，通过第二加热源熔化位于所述激光源在所述基体的表面形成的光斑以外的另一部分所述涂覆材料。
根据本公开的一些实施例，所述涂覆材料包括第一粉末材料和第二粉末材料，其中，所述第二粉末材料的熔点高于所述第一粉末材料的熔点。
根据本公开的一些实施例，所述第二粉末材料包括钨，钼，铌，钽，钒，锆，铼，铪中的至少一种。
根据本公开的一些实施例，将所述涂覆材料输送至所述基体的表面包括：
通过第一输送装置将所述第一粉末材料输送至所述基体的表面；
通过第二输送装置将所述第二粉末材料输送至所述基体的表面。
根据本公开的一些实施例，使所述第一输送装置与所述激光源同轴，使所述第二输送装置与所述激光源具有夹角。
根据本公开的一些实施例，将所述涂覆材料输送至所述基体的表面包括：
混合所述第一粉末材料和所述第二粉末材料；和
通过第三输送装置将混合后的所述第一粉末材料和所述第二粉末材料输送至所述基体的表面。
根据本公开的一些实施例，在所述粘结层的表面涂覆所述工作层之前，所述涂层制备方法还包括：采用焰流处理所述粘结层的表面。
根据本公开的一些实施例，在所述粘结层的表面涂覆所述工作层和在所述基体的表面涂覆所述粘结层采用同一定位基准。
根据本公开的一些实施例，所述涂层还包括封孔层，所述涂层制备方法还包括：在所述定位基准下，在所述工作层的表面涂覆所述封孔层。
根据本公开的一些实施例，所述涂层制备方法还包括：在所述定位基准下，抛光处理所述涂层的表面。
本公开第二方面提供一种零件，包括：
基体；
涂层，设置于所述基体的表面，采用本公开第一方面所述的涂层制备方法制备而成。
根据本公开的一些实施例，所述零件为活塞杆。
本公开实施例提供的零件及其涂层制备方法以工艺参数的目标值作为涂覆粘结层的工艺参数，可以根据服役环境对粘结层和工作层的结合性能的要求，直接获取具有满足该要求的表面形貌参数的粘结层，在涂覆粘接层后，无须进行车削、喷砂等工序，利于高效地制备高质量、高性能的复合涂层。
通过以下参照附图对本公开的示例性实施例的详细描述，本公开的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本公开的进一步理解，构成本申请的一部分，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。在附图中：
图1示出了本公开一些实施例中不同第一粘结层试样的表面形貌。
图2示出了通过本公开一些实施例的涂层制备方法制备的活塞杆的复合涂层的轴向截面。
图3为图2所示的实施例的涂层制备方法制备的活塞杆的复合涂层的径向截面。
图4为图2所示的实施例的涂层制备方法制备复合涂层的过程中产生的热影响区。
图5示出了本公开一些实施例中，在零件的基体的表面涂覆粘结层的过程。
图6示出了本公开另一些实施例中，在零件的基体的表面涂覆粘结层的过程。
图1至图6中，各附图标记分别代表：
1、基体；10、热影响区；2、粘结层；3、工作层。
H1、第一加热源；H2、第二加热源；P1、第一粉末材料的输送路径；P2、第二粉末材料；P3、第一粉末材料和第二粉末材料混合后的输送路径。
具体实施方式
下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，这些技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本公开的描述中，需要理解的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本公开保护范围的限制。
在本公开的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
根据发明人已知的相关技术，为了改善复合涂层的抗弯曲疲劳性能，可以先在基体的表面采用激光熔覆工艺涂覆低硬度高致密高耐蚀的粘结层，对粘结层进行车削加工和喷砂后，再在粘结层的表面喷涂具有高硬度、高耐腐蚀性能的工作层，以形成复合涂层。
在实现本公开的技术方案的过程中，发明人发现，虽然采用上述工艺方法可以制备复合涂层，但是该工艺方法粘结层的粉末材料利用率较低，熔覆后粘结层上未熔颗粒较多，粘结层表面粗糙度较大，难以满足服役环境对粘结层和工作层的结合强度和弯曲疲劳强度的要求，需要车削加工后再喷砂才能喷涂工作层，上述加工过程要在多台加工设备上经过多次装夹定位才能完成。这种加工方式增加了设备的消耗和加工周期，且在不同的装夹过程中加工精度也受到影响，难以高效地制备高质量、高性能的复合涂层。
为改善上述问题，如图1至图6所示，本公开的实施例提供一种零件及其涂层制备方法。
本公开实施例提供的零件包括基体1和涂层。涂层设置于基体1的表面，采用本公开实施例提供的涂层制备方法制备而成。该零件具有本公开实施例提供的涂层制备方法所具有的优点。
本公开实施例提供的涂层制备方法适用于在上面所提到的活塞杆等需在严苛环境下服役的零件。
通过本公开实施例提供的涂层制备方法制备的涂层包括粘结层2和工作层3。
复合涂层的工作层常采用陶瓷涂层，工作层与粘结层之间主要以机械结合的形式连接。粘结层表面凹凸不平，加热至熔融状态的工作层材料粒子撞击并附着于粘结层表面，工作层材料冷凝后收缩咬住粘结层表面的凸点，作为工作层的锚固点。为了使粘结层和工作层之间具有足够的结合强度，应当使粘结层表面具有适当的粗糙度和更多的锚固点。
发明人由此想到，粘结层的表面形貌对粘结层和工作层的结合性能有直接关系，可以根据制备粘结层所采用的工艺参数对粘结层的表面形貌的影响，通过调节工艺参数调控粘结层的表面形貌，从而使粘结层和工作层的结合性能符合服役环境的要求。
本公开实施例提供的涂层制备方法包括：步骤1，根据试验或仿真得到的第一粘结层试样的表面形貌参数与试验或仿真得到第一粘结层试样时所采用的工艺参数的对应关系，获取使粘结层2的表面形貌参数达到预设值的工艺参数的目标值；步骤2，采用目标值作为涂覆粘结层2的工艺参数，在零件的基体1的表面涂覆粘结层2，以使粘结层2的表面形貌参数达到预设值；和步骤3，在粘结层2的表面涂覆工作层3。
本公开实施例提供的涂层制备方法以工艺参数的目标值作为涂覆粘结层的工艺参数，可以根据服役环境对粘结层和工作层的结合性能的要求，直接获取具有满足该要求的表面形貌参数的粘结层，在涂覆粘接层后，无须进行车削、喷砂等工序，利于高效地制备高质量、高性能的复合涂层。
以下对本公开实施例提供的涂层制备方法作进一步说明。
在一些实施例中，步骤1中，根据试验或仿真得到的第一粘结层试样的表面形貌参数与试验或仿真得到第一粘结层试样时所采用的工艺参数的对应关系，获取使粘结层2的表面形貌参数达到预设值的工艺参数的目标值包括：采用不同的工艺参数制备多个第一粘结层试样；获取多个第一粘结层试样的表面形貌参数；根据多个第一粘结层试样的工艺参数和多个第一粘结层试样的表面形貌参数，拟合用于表示工艺参数与粘结层2的表面形貌参数的对应关系的第一数学模型；根据零件对涂层的力学性能要求，确定粘结层2的表面形貌参数的预设值；和根据第一数学模型和粘结层2的表面形貌参数的预设值，获取工艺参数的目标值。
上述步骤中，拟合第一数学模型和获取工艺参数的目标值的过程可以基于数据分析软件，采用响应曲面法(RSM，Response surface methodology)实现。
在一些实施例中，步骤1之前，涂层制备方法还包括：获取试验或仿真得到的第二粘结层试样和试验或仿真得到的工作层试样的结合强度以及第二粘结层试样的表面形貌参数的对应关系，以评价粘结层2的表面形貌参数对粘结层2和工作层3的结合强度的影响。
在一些实施例中，获取试验或仿真得到的第二粘结层试样和试验或仿真得到的工作层试样的结合强度以及第二粘结层试样的表面形貌参数的对应关系包括：制备多个具有不同的表面形貌参数的第二粘结层试样；在多个第二粘结层试样的表面结合工作层试样；获取多个第二粘结层试样与工作层试样的结合强度；和根据多个第二粘结层试样的表面形貌参数以及第二粘结层试样与工作层试样的结合强度，拟合用于表示粘结层2的表面形貌参数与粘结层2和工作层3的结合强度的对应关系的第二数学模型。
上述步骤中，拟合第二数学模型的过程可以基于数据分析软件，采用回归分析方法实现。上述步骤可以定量地评价粘结层的表面形貌参数对第二粘结层和工作层的结合强度的影响，从而更好地指导工艺参数的选择。
在一些实施例中，表面形貌参数包括表面均方根偏差Sq和表面均方根坡度SΔq。
表面均方根偏差Sq表示评定区域内各点高度的均方根，即评定区域内各点高度的标准偏差。
Sq主要反映粘结层的表面的凹坑和凸峰相对平均面的偏离程度。对于激光熔覆工艺制备的粘结层，Sq可评估熔覆道和锚固点的纹理和布局，若粘结层的表面起伏明显或粘结层上未熔颗粒较多，则Sq较大。若粘结层的表面起伏较小且锚固点熔化充分，凹坑和凸峰的分布均匀，则Sq较小。
表面均方根坡度SΔq也叫表面均方根斜率(root mean square slope)Srms、Sdq表示评定区域内所有点斜率的均方根。
SΔq主要反映粘结层的表面的平整性。对于激光熔覆工艺制备的粘结层，SΔq可评估熔覆道和锚固点的斜率，熔覆道和锚固点的斜率代表粘结层表面的凸起程度。若粘结层上材料颗粒熔化不充分，材料颗粒塑性变形不充分，凸峰值较大，凸峰越明显，则SΔq越大。SΔq较大时，一方面，工作层的材料粒子难以到达凹坑底部，凹坑底部易形成残留气孔缺陷；另一方面，熔融的材料粒子到达粘结层表面时的速度将大幅下降，不利于陶瓷材料工作层与粘结层之间形成良好的润湿效果，进而影响工作层与粘结层的结合性能。
因此，在一定范围内，粘结层的表面均方根偏差Sq和表面均方根坡度SΔq值较小时，代表所形成的凹坑及凸峰数目多且不尖锐，高度适中的凸峰有利于为陶瓷涂层的机械结合提供更多的锚固点，有利于提升粘结层与工作层的结合强度。
在一些实施例中，表面形貌参数采用表面均方根偏差Sq和表面均方根坡度SΔq时，第二数学模型为：
其中，B表示粘结层2和工作层3的结合强度，C、λ1、λ2、k1、k2表示拟合系数。
根据不同的表面形貌参数，还可以拟合出其它形式的第二数学模型。
在一些实施例中，在步骤2中，采用目标值作为涂覆粘结层2的工艺参数，在零件的基体1的表面涂覆粘结层2包括步骤210和步骤220。
步骤210、提供制备粘结层2所采用的涂覆材料。
步骤220、采用目标值将涂覆材料通过激光熔覆工艺涂覆于基体1的表面，以形成粘结层2。
为了提高涂覆材料的利用率，并获得具有更高质量的表面的粘结层2，优选地，步骤220可以采用超高速激光熔覆工艺。在零件的基体1的表面涂覆粘结层2还可以采用冷喷涂等工艺。
在一些实施例中，采用激光熔覆工艺涂覆粘结层2时，工艺参数包括以下参数至少之一：激光功率P、扫描速度v、光斑直径d和搭接率n。
在一些实施例中，在步骤220中，采用目标值将涂覆材料通过激光熔覆工艺涂覆于基体1的表面包括步骤221和步骤222。
步骤221、将涂覆材料输送至基体1的表面。
采用激光熔覆工艺涂覆粘结层2时，熔覆结束后，粘结层的表面难免残留有未熔融的材料颗粒，若这些材料颗粒附着不牢固，将对粘接层和工作层的结合强度造成影响。
为改善上述问题，在一些实施例中，涂覆材料包括第一粉末材料和第二粉末材料，其中，第二粉末材料的熔点高于第一粉末材料的熔点。根据不同涂层的性能要求，可以将熔点较高且利于增强涂层耐腐蚀和耐磨性能的金属材料作为第二粉末材料掺杂入第一粉末材料中，通过可携带更多热量的第二粉末材料向这些未熔融的材料颗粒传递热量，从而使这些材料颗粒牢固地附着于粘结层上并对工作层起到锚固作用。
在一些实施例中，第二粉末材料包括钨，钼，铌，钽，钒，锆，铼，铪中的至少一种。上述材料作为高熔点稀有金属(也称“难熔金属”)材料，特点为熔点高、硬度大、抗腐蚀性强，多数能同碳、氮、硅、硼等生成高熔点、高硬度并具有良好化学稳定性的化合物。制备粘结层时，可以根据零件的耐磨损和耐腐蚀性能的需求，采用上述材料中的一种或几种作为第二粉末材料。在激光熔覆过程中，采用上述材料作为第二粉末材料不仅可以携带更多热量并将热量传递至未熔融的材料颗粒，还可以提高涂层的耐腐蚀性能。
第一粉末材料和第二粉末材料可以通过两个输送装置分别输送至基体1的表面。在一些实施例中，在步骤221中，将涂覆材料输送至基体1的表面包括：通过第一输送装置将第一粉末材料输送至基体1的表面；通过第二输送装置将第二粉末材料输送至基体1的表面。
如图5所示，在一些实施例中，使第一输送装置与激光源同轴，使第二输送装置与激光源具有夹角。也就是说，第一输送装置可以是激光熔覆工艺中采用的同轴送粉装置，第二输送装置可以是激光熔覆工艺中采用的旁轴送粉装置。
第一粉末材料和第二粉末材料也可以采取混合送粉的方式，混合后再输送至基体1的表面。如图6所示，在一些实施例中，在步骤221中，将涂覆材料输送至基体1的表面包括：混合第一粉末材料和第二粉末材料；和通过第三输送装置将混合后的第一粉末材料和第二粉末材料输送至基体1的表面。
步骤222、通过第一加热源H1熔化输送至基体1的表面的一部分涂覆材料，第一加热源H1为激光源，通过第二加热源H2熔化位于激光源在基体1的表面形成的光斑以外的另一部分涂覆材料。
根据发明人已知的相关技术，为了提高涂覆材料的利用率，采用激光熔覆工艺涂覆粘结层2时，可以适当降低涂覆材料的输送量或增大激光源的光斑直径。然而，若采用降低涂覆材料的输送量的方式，会导致粘结层表面起伏明显；若采用增大激光源的光斑直径的方式，则会降低熔覆的效率。
通过步骤222，在作为第一加热源的激光源和第二加热源的共同加热下，即使激光源的光斑直径较小，激光源的光斑以外的区域的涂覆材料尤其是第二粉末材料也可以被充分加热，携带更多的热量到达零件基体的表面，第二粉末材料可以将热量充分传递至基体表面未熔化的材料颗粒，利于这些材料颗粒更好地实现对工作层的锚固作用。
在一些实施例中，在粘结层2的表面涂覆工作层3之前，涂层制备方法还包括：采用焰流处理粘结层2的表面。焰流可以是超音速火焰焰流、等离子体焰流等。焰流一方面可以吹扫、清洁粘结层2的表面，减少粘结层2的表面残留的材料颗粒等杂质的污染，另一方面也可以在涂覆工作层3之前对基体1和粘结层2进行预热和重熔处理。
在一些实施例中，在粘结层2的表面涂覆工作层3和在基体1的表面涂覆粘结层2采用同一定位基准。
在一些实施例中，涂层还包括封孔层，涂层制备方法还包括：在前述定位基准下，在工作层3的表面涂覆封孔层，以降低涂层内部的孔隙率，提升涂层的致密性。
在一些实施例中，涂层制备方法还包括：在前述定位基准下，抛光处理涂层的表面，以使零件最终达到设计的尺寸公差和粗糙度。
以上涂覆粘结层2采用的超高速激光熔覆头、涂覆工作层3采用的热喷涂喷头、涂覆封孔层采用的自动封孔装置以及抛光处理涂层的表面采用的抛光装置等加工装置均可装夹于同一加工系统上，采用同一定位基准。由此可见，涂覆粘结层2、涂覆工作层3、涂覆封孔层和抛光处理涂层的表面等步骤中，至少两个连续的步骤可以在同一定位基准下进行。采用同一定位基准可以减少加工设备切换的次数和零件装夹定位的次数，利于进一步提升复合涂层的加工效率和加工精度。
下面通过一具体实施例对上述涂层制备方法作进一步说明。
液压缸是将液压能转变为曲线或直线往复运动机械能的装置，具有结构简单、工作可靠、加工工艺简单、维护检修方便等特点，因此广泛应用于工业生产各部门。活塞杆作为液压缸的重要运动部件，其服役性能的高低直接决定了液压缸的工作可靠性及使用寿命。活塞杆表面失效是其常见的故障形式，主要包括锈蚀、划伤、磕碰等。因此，通常对活塞杆进行热喷涂表面强化。
针对海洋工程装备中的活塞杆对结合强度、弯曲疲劳、耐腐蚀性能的要求，本实施例采用超高速激光熔覆工艺制备粘结层和超音速火焰喷涂工艺制备工作层，以形成活塞杆的复合涂层。活塞杆的涂层制备方法如下：
采用超高速激光熔覆工艺制备多个具有不同的表面均方根偏差Sq和表面均方根坡度SΔq的第二粘结层试样，接着不车削、不喷砂，采用超音速火焰喷涂工艺在第二粘结层试样的表面喷涂工作层试样。按照《GB/T 8642-2002热喷涂抗拉结合强度的测定》，在万能试验机上采用垂直拉伸法测定第二粘结层试样和工作层试样的结合强度，结果如表1所示。
表1第二粘结层试样的表面形貌参数与第二粘结层试样和工作层试样的结合强度
Sq(μm) SΔq(°) 结合强度(MPa)
27.92 33.504 46.4
24.88 29.856 60.4
22.56 27.072 76.5
21.4 25.68 79.1
27.68 33.216 50.8
23.16 27.792 72.3
26.96 32.352 51.5
27.76 33.312 48.1
22.08 26.496 77.2
22.92 27.504 75.2
根据表1中多个第二粘结层试样的表面形貌参数以及第二粘结层试样与工作层试样的结合强度，拟合出以下的第二数学模型，以评价粘结层2的表面形貌参数对粘结层2和工作层3的结合强度的影响：
B＝188.824-2.3358Sq-2.2692SΔq
1、根据试验或仿真得到的第一粘结层试样的表面形貌参数与试验或仿真得到第一粘结层试样时所采用的工艺参数的对应关系，获取使粘结层2的表面形貌参数达到预设值的工艺参数的目标值。
本实施例采用Ni625和Mo作为熔覆粘结层的材料，以激光功率P、扫描速度v、光斑大小d、搭接率n为变量，制备多个第一粘结层试样，并采用表面形貌分析仪分析不同第一粘结层试样的表面形貌特征，以获取表面均方根偏差Sq和表面均方根坡度SΔq。
图1(a)和图1(b)示出了两种典型的第一粘结层试样的表面形貌，其中，图1(a)采用的工艺参数为激光功率P＝1900W、扫描速度v＝200mm/s、光斑大小d＝1mm、搭接率n＝40％，其表面均方根偏差Sq＝27.92μm、表面均方根坡度SΔq＝33.504°；图1(b)采用的工艺参数为激光功率P＝2200W，扫描速度v＝300mm/s、光斑大小d＝1mm、搭接率n＝70％，其表面均方根偏差Sq＝21.57μm、表面均方根坡度SΔq＝25.866°。
可以看出，搭接率较小、扫描速度较小的第一粘结层试样表面整体上起伏比较明显，Sq、SΔq较大；搭接率较大、扫描速度较大的第一粘结层试样表面整体上起伏相对不明显，平整性较好，锚固点较多，Sq、SΔq较小。
根据多个第一粘结层试样的工艺参数和多个第一粘结层试样的表面形貌参数，建立以激光功率P、扫描速度v、光斑大小d、搭接率n为自变量、表面均方根偏差Sq和表面均方根坡度SΔq为因变量的响应曲面作为第一数学模型。
基于上述响应曲面进行多目标优化，根据表面均方根偏差Sq和表面均方根坡度SΔq在提高粘接层和工作层的结合强度方面的望小特性，得出可以达到最小的Sq＝19.72μm、SΔq＝24.26°，对应的工艺参数为激光功率P＝2300W，扫描速度v＝350mm/s，光斑直径d＝1mm，搭接率n＝75％。
为了使粘结层和工作层之间具有尽可能大的结合强度，以Sq＝19.72μm、SΔq＝24.26°为表面形貌参数的预设值，则工艺参数的目标值为激光功率P＝2300W，扫描速度v＝350mm/s，光斑直径d＝1mm，搭接率n＝75％。
2、采用目标值作为涂覆粘结层2的工艺参数，采用超高速激光熔覆工艺在零件的基体1的表面涂覆粘结层2，以使粘结层2的表面形貌参数达到预设值。
提供制备粘结层2所采用的第一粉末材料和第二粉末材料。其中，第一粉末材料为Ni625粉末，第二粉末材料为Mo粉末，Ni625和Mo的质量比为9：1。
通过同轴送粉装置将Ni625粉末输送至活塞杆的基体1的表面，通过旁轴送粉装置将Mo粉末输送至活塞杆的基体1的表面。通过调节同轴送粉装置的送粉筒的转速和旁轴送粉装置的送粉筒的转速，调节Ni625和Mo的送粉速度，以调节涂覆材料中Mo的加入量。
熔覆粘结层2时，采用以下目标值作为涂覆粘结层2的工艺参数：激光功率P＝2300W，扫描速度v＝350mm/s，光斑直径d＝1mm，搭接率n＝75％，以使粘结层2的表面均方根偏差Sq达到19.72μm左右、表面均方根坡度SΔq达到24.26°左右。
超高速激光熔覆涂覆材料的过程中，通过激光源H1熔化输送至基体1的表面的一部分涂覆材料，通过第二加热源H2熔化位于激光源在基体1的表面形成的光斑以外的另一部分涂覆材料。
3、采用超音速火焰喷涂工艺在粘结层2的表面涂覆工作层3。
涂覆工作层3之前，在同一台加工设备上，开启超音速火焰喷枪，使用超音速火焰的焰流吹扫、清洁粘结层2的表面，吹扫过程中适当调整喷枪与粘结层2的表面的距离，并对粘结层2进行预热和重熔处理。
采用陶瓷材料作为喷涂材料，喷涂工作层3。
在同一台加工设备上，喷涂封孔层。然后采用金刚石砂带抛光处理复合涂层的表面，以使零件最终达到设计的尺寸公差和粗糙度。
对通过上述方法制备涂层后的活塞杆进行以下性能评价实验。
(1)显微组织观察：
将本实施例中制备的活塞杆作为待测试样，观察其涂层的截面显微组织。图2示出了复合涂层的轴向截面，图3示出了复合涂层的径向截面，图4示出了制备复合涂层的过程中产生的热影响区。由图2至图4可以看出，粘结层2的厚度约为246μm，工作层3的厚度约为140μm，热影响区的范围约为140μm，热影响区较小，且粘结层与工作层结合良好，无开裂。
(2)结合强度测试：
将本实施例制备的活塞杆作为待测试样，按照《GB/T 8642-2002热喷涂抗拉结合强度的测定》，在万能试验机上采用垂直拉伸法测定本实施例制备的复合涂层的结合强度，将采用“常规激光熔覆→车削加工→喷砂→热喷涂”工艺制备的复合涂层作为对比例，用相同方法测定其结合强度。如表2所示，采用“常规激光熔覆→车削加工→喷砂→热喷涂”工艺制备的复合涂层结合强度为79.2MPa，本实施例制备的复合涂层结合强度为79.5MPa。
(3)弯曲疲劳测试：
将本实施例制备的活塞杆作为待测试样，对采用“常规激光熔覆→车削加工→喷砂→热喷涂”工艺制备的复合涂层与本实施例制备的复合涂层分别进行弯曲疲劳测试，采用MTS Flex Test60 MTS疲劳试验系统对120×30×5mm试样进行四点弯曲疲劳试验。试验过程中采用应变片实时检测涂层表面弯曲应力值，加载在基体的非涂层侧，加载应力不超过基体材料屈服强度的90％，加载频率0.25Hz，应变片粘贴在涂层上，通过东华DH5922D动态信号测试分析系统测试应变，采用动态变形测量设备记录观察涂层表面产生疲劳裂纹时弯曲应力循环次数。如表2所示，采用“常规激光熔覆→车削加工→喷砂→热喷涂”工艺制备的复合涂层出现疲劳裂纹时的弯曲应力循环次数为1215次，本实施例制备的复合涂层结合强度为出现疲劳裂纹时的弯曲应力循环次数为2526次。
表2不同试样的结合强度与弯曲疲劳次数
根据表2可以看出，本实施例制备的复合涂层的结合强度优于对比例制备的复合涂层，出现疲劳裂纹时弯曲应力循环次数显著优于对比例制备的复合涂层。本实施例制备的复合涂层不仅可以保持良好的结合强度，还可以提高复合涂层抵抗弯曲疲劳的性能。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本公开的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本公开进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本公开的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换，其均应涵盖在本公开请求保护的技术方案范围当中。

Claims (17)

1.一种零件的涂层制备方法，其特征在于，所述涂层包括粘结层(2)和工作层(3)，所述涂层制备方法包括：
获取试验或仿真得到的第二粘结层试样和试验或仿真得到的工作层试样的结合强度以及所述第二粘结层试样的表面形貌参数的对应关系，以评价所述粘结层(2)的所述表面形貌参数对所述粘结层(2)和所述工作层(3)的结合强度的影响，包括：制备多个具有不同的所述表面形貌参数的所述第二粘结层试样，在多个所述第二粘结层试样的表面结合所述工作层试样，获取多个所述第二粘结层试样与所述工作层试样的结合强度，根据多个所述第二粘结层试样的表面形貌参数以及所述第二粘结层试样与所述工作层试样的结合强度，拟合用于表示所述粘结层(2)的表面形貌参数与所述粘结层(2)和所述工作层(3)的结合强度的对应关系的第二数学模型；
根据试验或仿真得到的第一粘结层试样的表面形貌参数与试验或仿真得到所述第一粘结层试样时所采用的工艺参数的对应关系，获取使所述粘结层(2)的表面形貌参数达到预设值的所述工艺参数的目标值，其中，所述预设值根据所述第二数学模型确定且使所述粘接层(2)和所述工作层(3)的结合强度满足服役环境的要求；
采用所述目标值作为涂覆所述粘结层(2)的工艺参数，在所述零件的基体(1)的表面涂覆所述粘结层(2)，以使所述粘结层(2)的表面形貌参数达到所述预设值；和
在所述粘结层(2)的表面涂覆所述工作层(3)；
其中，所述表面形貌参数包括表面均方根偏差Sq和表面均方根坡度SΔq。
2.根据权利要求1所述的涂层制备方法，其特征在于，根据试验或仿真得到的第一粘结层试样的表面形貌参数与试验或仿真得到所述第一粘结层试样时所采用的工艺参数的对应关系，获取使所述粘结层(2)的表面形貌参数达到预设值的所述工艺参数的目标值包括：
采用不同的所述工艺参数制备多个所述第一粘结层试样；
获取多个所述第一粘结层试样的所述表面形貌参数；
根据多个所述第一粘结层试样的所述工艺参数和多个所述第一粘结层试样的表面形貌参数，拟合用于表示所述工艺参数与所述粘结层(2)的表面形貌参数的对应关系的第一数学模型；
根据所述零件对所述涂层的力学性能要求，确定所述粘结层(2)的表面形貌参数的所述预设值；和
根据所述第一数学模型和所述粘结层(2)的表面形貌参数的所述预设值，获取所述工艺参数的目标值。
3.根据权利要求1所述的涂层制备方法，其特征在于，所述第二数学模型为：
其中，B表示所述粘结层(2)和所述工作层(3)的结合强度，C、λ1、λ2、k1、k2表示拟合系数。
4.根据权利要求1所述的涂层制备方法，其特征在于，采用所述目标值作为涂覆所述粘结层(2)的工艺参数，在所述零件的基体(1)的表面涂覆所述粘结层(2)包括：
提供制备所述粘结层(2)所采用的涂覆材料；和
采用所述目标值将所述涂覆材料通过激光熔覆工艺涂覆于所述基体(1)的表面，以形成所述粘结层(2)。
5.根据权利要求4所述的涂层制备方法，其特征在于，所述工艺参数包括以下参数至少之一：激光功率P、扫描速度v、光斑直径d和搭接率n。
6.根据权利要求4所述的涂层制备方法，其特征在于，采用所述目标值将所述涂覆材料通过激光熔覆工艺涂覆于所述基体(1)的表面包括：
将所述涂覆材料输送至所述基体(1)的表面；和
通过第一加热源(H1)熔化输送至所述基体(1)的表面的一部分所述涂覆材料，所述第一加热源(H1)为激光源，通过第二加热源(H2)熔化位于所述激光源在所述基体(1)的表面形成的光斑以外的另一部分所述涂覆材料。
7.根据权利要求6所述的涂层制备方法，其特征在于，所述涂覆材料包括第一粉末材料和第二粉末材料，其中，所述第二粉末材料的熔点高于所述第一粉末材料的熔点。
8.根据权利要求7所述的涂层制备方法，其特征在于，所述第二粉末材料包括钨，钼，铌，钽，钒，锆，铼，铪中的至少一种。
9.根据权利要求7所述的涂层制备方法，其特征在于，将所述涂覆材料输送至所述基体(1)的表面包括：
通过第一输送装置将所述第一粉末材料输送至所述基体(1)的表面；
通过第二输送装置将所述第二粉末材料输送至所述基体(1)的表面。
10.根据权利要求9所述的涂层制备方法，其特征在于，使所述第一输送装置与所述激光源同轴，使所述第二输送装置与所述激光源具有夹角。
11.根据权利要求7所述的涂层制备方法，其特征在于，将所述涂覆材料输送至所述基体(1)的表面包括：
混合所述第一粉末材料和所述第二粉末材料；和
通过第三输送装置将混合后的所述第一粉末材料和所述第二粉末材料输送至所述基体(1)的表面。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的涂层制备方法，其特征在于，在所述粘结层(2)的表面涂覆所述工作层(3)之前，所述涂层制备方法还包括：采用焰流处理所述粘结层(2)的表面。
13.根据权利要求1至11中任一项所述的涂层制备方法，其特征在于，在所述粘结层(2)的表面涂覆所述工作层(3)和在所述基体(1)的表面涂覆所述粘结层(2)采用同一定位基准。
14.根据权利要求13所述的涂层制备方法，其特征在于，所述涂层还包括封孔层，所述涂层制备方法还包括：在所述定位基准下，在所述工作层(3)的表面涂覆所述封孔层。
15.根据权利要求13所述的涂层制备方法，其特征在于，所述涂层制备方法还包括：在所述定位基准下，抛光处理所述涂层的表面。
16.一种零件，其特征在于，包括：
基体(1)；
涂层，设置于所述基体(1)的表面，采用根据权利要求1至15中任一项所述的涂层制备方法制备而成。
17.根据权利要求16所述的零件，其特征在于，所述零件为活塞杆。
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