一种机械构件表面复合强化涂层界面结合行为预测方法

1.本发明属于表面功能涂层性能评价与预测领域，特别是涉及一种机械构件表面复合强化涂层界面结合行为预测方法。


背景技术：

2.摩擦、磨损及腐蚀是自然界存在的普遍现象，摩擦对工业生产、人类生活有利有弊，而磨损、腐蚀却是百害而无一利。摩擦、磨损及腐蚀对航空航天、轨道交通、大型水利机械、起重装备、特大盾构掘进等工程机械构件，如航空轴承、水轮机叶片、轨道交通齿轮等构件及材料的消耗是相当可观的，据不完全估计，有1/3至1/2的制造业消耗来源于磨损，而磨损、腐蚀又常常是机器零部件失效的主要原因。通过表面工程与表面改性技术，如激光熔覆、喷涂、磁控溅射、真空镀等方式对上述工程机械构件或材料进行表面涂层强化，预防或减缓构件及材料被磨损、腐蚀及摩擦的速度，延长工程机械使用寿命。
3.表面强化涂层中有许多结合界面，以钎涂为例，钎料与反应层的结合界面、反应层与基体的结合界面、钎料与增强颗粒的结合界面，任意一个结合界面都是影响涂层与基体结合组织、强度的关键环节。涂层中生成过量的脆性金属间化合物或有害(不利)析出相将导致涂层与基体的力学性能严重下降；如界面结合性能不佳，涂层中会产生气孔、裂纹、夹杂等缺陷；涂层中生成与基体热膨胀系数差异较大的析出相(物相)会导致涂层整体热膨胀系数与基体匹配失效，产生较大的界面残余应力，对界面反应和结合行为十分不利。
4.涂层中界面结合强度受到工艺参数的耦合影响，不同的工艺参数涂层微观组织不同，界面的结合强度也存在很大差异，传统的实验和观察方法研究界面结合情况只是对生成物物相表征，具体的界面结合行为研究不够深入，此外，界面结合强度的实验往往需要无参考地设置工艺参数，试验工作量非常大，导致实验成本大幅增加。界面结合行为归根到底是界面处化学键的形成，化学键的形成就是原子间的相互作用，即电子的转移，这些相互作用基于量子力学定理，通过量子力学理论可对材料在原子尺度相关表界面行为进行预测和分析，为界面强度实验提供参考和理论依据，基于密度泛函理论(dft，density functional theory)的第一性原理计算是研究微观界面的重要方法之一。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种机械构件表面复合强化涂层界面结合行为预测方法，以解决上述现有技术存在的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种机械构件表面复合强化涂层界面结合行为预测方法，包括：
7.对机械构件进行预处理并构建所述机械构件的表面复合强化涂层界面；
8.对所述表面复合强化涂层界面的析出相进行物相表征；
9.基于所述物相表征的结果，建立界面物相模型；
10.基于所述界面物相模型进行第一性原理数值计算，获得界面黏附功、电荷密度、差
分电荷密度、分波态密度以及mulliken布局；
11.基于电荷密度、差分电荷密度、分波态密度以及mulliken布局，分析所述表面复合强化涂层界面的电荷转移、轨道杂化和成键类型；
12.基于所述界面黏附功以及所述电荷转移、轨道杂化和成键类型判断所述连接界面的结合强度；
13.基于所述连接界面的结合强度，获取预测结果。
14.可选地，所述预处理的过程包括：基于碳化硅砂纸对所述机械构件试样表面打磨至1000#，并抛光、用酒精或丙酮超声清洗5～10min、烘干；对所述机械构件进行腐蚀，待所述机械构件失去光泽表面后再次烘干。
15.可选地，对所述机械构件进行腐蚀的过程包括：采用3％硝酸酒精溶液或3％fecl3的腐蚀液对试样浸蚀2-5s。
16.可选地，所述表面复合强化涂层界面的构建方法包括激光熔覆、热喷涂、磁控溅射、冷喷涂、激光钎涂中的一种或多种。
17.可选地，对所述表面复合强化涂层的析出相进行物相表征的方法包括：
18.对所述析出相进行微观形貌表征，所述微观形貌表征采用扫描电子显微镜和/或扫描探针显微镜和/或激光共聚焦显微镜；
19.对所述析出相进行物相分析表征，所述物相分析表征采用x射线衍射和/或x射线荧光光谱和/或x射线光电子能谱。
20.可选地，所述界面物相模型为表面复合强化涂层界面相邻的任意两种物相。
21.可选地，获取界面黏附功的方法为：
22.w
ad
＝(e1+e
2-e
12
)/s
23.e1、e2分别是表征物相分子模型的能量，e
12
为界面物相模型的总能量，s为界面物相模型的界面面积。
24.可选地，判断所述界面的结合强度的方法为：所述界面黏附功越大，则界面结合性能越好；反之界面结合性能越差。
25.本发明的技术效果为：
26.一、本发明弥补了第一性原理计算在复合涂层领域的应用，提供一种基于密度泛函理论的第一性能原理调控工程机械构件表面复合强化涂层界面结合行为预测方法，从分子层面预测复合强化涂层结合行为与内部分子结合特种，揭示复合涂层界面结合行为、界面反应的本质，为激光熔覆、热喷涂、磁控溅射、冷喷涂或激光钎涂等涂层制备工艺提供理论依据和技术支撑。
27.二、本发明无需复杂的实验条件与复合涂层制备工艺，借助第一性原理理论计算，改变了传统“炒菜法”不断优化试验工艺参数、完善试验方案的繁琐步骤，大幅降低实验工作量，节省实验成本，基于本发明的预测结果准确可靠，且可为实验提供参考和依据。
28.三、本发明所建物相(析出相)模型来自于试验结果，不同于以往第一性原理计算模型(主要来自软件工具库，与实际试验情况不符，理论与实际相差较大，无法精准预测)，本发明预测具有一定的准确度，可准确预测复合强化涂层界面结合行为、界面反应，实现了高通量方法在复合钎焊强化涂层界面反应、界面结合行为、连接界面组织、结合强度方面的有效应用，为表面改性与表面工程领域的相关工作人员提供方便。
29.四、本发明解决了航空航天、轨道交通、大型水利机械、起重装备、特大盾构掘进等领域工程机械关键构件表面摩擦、磨损及腐蚀难题，特别是航空轴承、水轮机叶片、轨道交通齿轮、盾构刀盘刀具等大型构件表面涂层界面行为与组织性能的评价与预测技术瓶颈，从理论角度为表面复合强化涂层的结构、设计、制备及组织性能一体化调控提供一种新思路。
附图说明
30.构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
31.图1为本发明实施例中的ni-wc复合涂层界面模型；
32.图2为本发明实施例中ni-wc复合涂层界面的电荷密度图；
33.图3为本发明实施例中ni-wc复合涂层界面的差分电荷密度图；
34.图4为本发明实施例中复合涂层中w封端界面各原子的分波态密度图；
35.图5为本发明实施例中复合涂层中c封端界面各原子的分波态密度图；
36.图6为本发明实施例中的机械构件表面复合强化涂层界面结合行为预测方法流程图。
具体实施方式
37.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
38.需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
39.实施例一
40.如图1-6所示，本实施例中提供一种机械构件表面复合强化涂层界面结合行为预测方法，主要用于航空轴承、水轮机叶片、轨道交通齿轮、盾构刀盘刀具等大型构件表面涂层界面行为与组织性能的评价与预测，具体包括：
41.第1步：对工程机械构件304不锈钢试样表面使用碳化硅砂纸打磨至1000#、用酒精或丙酮超声清洗5min，开展wc增强ni基涂层的高温钎涂涂层试验，对工程机械构件表面复合强化涂层界面的析出相采用扫描电子显微镜进行物相表征；
42.第2步：根据表征物相，选择六方晶体wc的(0001)晶面和面心立方ni的(111)晶面，建立界面物相模型，如图1所示；
43.第3步：使用materials studio软件进行第一性原理数值计算，计算界面最佳黏附功，如表1所示；
44.表1
45.46.第4步：根据第一性原理数值计算ni/wc界面，电荷密度、差分电荷密度分别如图2所示、图3所示，图4、图5所示分别为w端和c端的分波态密度、mulliken布局等界面性质分析界面电荷转移、轨道杂化和成键类型；
47.第5步：图2电荷密度图中，以c封端为界面中ni/wc界面存在强烈的局域电子，证明在此界面处c原子和ni原子之间存在化学键，以w为封端的界面中ni/wc界面仅有十分弱的局域电子，证明此界面处w原子和ni原子之间的化学键非常薄弱，在wc增强ni基涂层的高温钎涂涂层中，增强剂wc颗粒和ni基钎料的结合是以ni-c成键的方式结合，这与c封端的相与w封端相比，黏附功更高，得到的结论一致。
48.图3所示电荷差分密度图中，c原子的到价电子，w原子失去价电子，ni原子以金属键相连接，但是在c封端的界面处，ni原子失去更多价电子，这就转移到相邻的c原子上，是典型的离子键特征，mulliken电荷转移(表2和表3)数据也同样证明，c封端的界面中ni原子转移电荷量为0.25e，远高于w封端的界面中ni原子转移0.1e的电荷量；当mulliken布居数等于0时，原子间形成纯离子键，当mulliken布居数等于1时，原子间形成纯共价键，布居数介于0～1之间时，既可能是共价键也可能是离子键，ni-c键的mulliken布局数为0.36，ni-c之间以离子键的性质为主。在w封端的界面处，ni原子价电子的转移并不明显，这是因为第二层中c原子的影响，ni周围的失去电子的区域，朝向c原子，而不是w原子。
49.图4为w封端的界面的分波态密度图，ni原子的d轨道和c原子的p轨道在-1.94ev处仅有一个杂化峰，在费米能级处(虚线处)，态密度图曲线并不为零，说明ni和c之间存在金属键的性质。
50.图5为c封端的界面的分波态密度图，ni原子的d轨道和c原子的p轨道在-1.94ev和-3.10ev出现两个杂化峰，说明c封端的界面，ni-c键的离子键性质更强，在费米能级处也存在一个杂化峰，相较于w封端峰值更大，这表面c封端ni-c键的金属键性质也要更强，在wc增强ni基涂层的高温钎涂层试验中，ni-c键以离子键和金属键为主方式成键。
51.表2
[0052][0053]
表3
[0054][0055]
以上所述，仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。