一种提高涂层抗疲劳性能的方法与流程

本发明涉及喷涂材料技术领域，具体涉及一种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。表面织构是一种仿生物表面组织结构，改变表面几何构型，进而提高机械系统摩擦性能的加工技术。表面织构或结构图案化通过多种先进的表面微处理技术(反应离子刻蚀、表面喷丸处理、电子束刻蚀、机械微刻及激光表面加工)，在零件(基体)表面仿生物特殊功能的结构加工具有特定规律排列、尺寸结构的微小几何构型(点阵)，来减小两个摩擦 面的有效接触面积，尤其因为减小摩擦力而在材料摩擦学性能方面显示出了独特的优势。因此广泛应用于改变零件表面粗糙度，进而提高零件表面的耐磨抗疲劳性能。

技术实现要素：

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提高涂层疲劳强度的方法。

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，在喷涂涂层表面制备不同几何形貌的织构化图案。本发明采用喷涂后织构化的方法，希望借助织构化能够提供持续润滑，改变滚动接触疲劳的滑差率进而观察涂层的接触疲劳性能，希望以此来优化织构化图案，延长涂层的服役性能。

具体地，本发明的方法包括如下步骤：

(1)利用超音速等离子喷涂方法对基体进行喷涂；

(2)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。

优选的，步骤(2)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。

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、箭头形或条纹形的一种或几种。

更优选的，所述织构化图案为箭头形。

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。

本发明的有益效果如下：

本发明的涂层表面织构化，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。

附图说明

图1本发明实施例1中涂层表面进行的织构化图案；

图2本发明涂层表面不同织构形状下涂层的疲劳强度；

图3不同条纹角度下涂层的疲劳性能。

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制备织构化的涂层

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：

利用超音速等离子喷涂方法对基体进行喷涂

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。

第三步

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30％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，如图1所示。

其中条纹形宽度为50微米，间距为70微米，如图1-1所示；

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，如图1-2所示；

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，如图1-3所示；

六边形边长为60微米，间距为70微米，如图1-4所示；

三角形边长为95微米，两个三角形底边定点间距为70微米，图中未示出。

实施侧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、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2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580MPa。

2、疲劳强度随箭头形织构角度的变化

为了测试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，所用试验机为常规试验机。测试结果如图3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。

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。