等離子噴涂失效

1、等離子噴涂失效分析等離子噴涂失效分析1. 1. 等離子噴涂等離子噴涂f 等離子噴涂在當(dāng)今生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用，它的熱源來自等離子焰流，其焰流中心的溫度可達30000K，噴槍噴嘴處的溫度也能達到15000K。f 高溫可以將金屬材料或者陶瓷材料加熱到熔化或者半熔化狀態(tài)，同時用高速電離氣流將液化的涂層材料沉積到經(jīng)過處理的基體表面上，形成牢固的、具有高硬度、耐磨、防腐、耐高溫等性能的表面防護涂層，提高工件的使用壽命。22. 2. 接觸疲勞接觸疲勞f 接觸疲勞失效是材料在交變載荷作用下，局部產(chǎn)生永久性累積損傷，并在一定循環(huán)次數(shù)后，形成接觸表面發(fā)生麻點、淺層或深層剝落等材料去除的過程，是機械產(chǎn)品(如齒輪、

2、軸承、軋輥)常見的表面失效形式。f 熱噴涂層接觸疲勞壽命是指試樣接觸表面在循環(huán)接觸應(yīng)力作用下直至疲勞失效時所經(jīng)受的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，是表征涂層接觸疲勞性能的關(guān)鍵指標(biāo)。3f 疲勞壽命影響因素可以分為與涂層表面完整性相關(guān)的內(nèi)因和與涂層服役工況相關(guān)的外因。f 殘余應(yīng)力 f 微缺陷 接觸應(yīng)力f 涂層厚度 f內(nèi)因 結(jié)合強度 外因 轉(zhuǎn)速f 表面硬度 f 表面粗糙度等 潤滑狀況等4f1）涂層厚度f 研究表明，厚涂層的疲勞壽命相對較長，但壽命分散性較大，不易進行壽命預(yù)測；薄涂層的疲勞壽命較短，但壽命分散性相對較小。從涂層失效模式來看，薄涂層的失效模式相對較平均，各種失效模式均有出現(xiàn)；而厚涂層的失效模式以剝落和表面

3、磨損失效為主，基本不會出現(xiàn)分層失效，即適當(dāng)增加涂層厚度能夠有效預(yù)防分層失效這一嚴(yán)重?fù)p傷失效模式的出現(xiàn)。5f2）微缺陷f 熱噴涂層是由高溫熔滴撞擊基體或已形成的涂層表面，之后經(jīng)過扁平變形、冷卻凝固而成的，這一過程致使涂層內(nèi)部不可避免地存在微孔隙、微裂紋、氧化物、未熔顆粒等缺陷，如圖2、圖3 所示。研究表明，涂層的接觸疲勞壽命隨涂層內(nèi)孔隙率的增加而減小。通過對試件失效模式的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，微缺陷數(shù)量較少時，涂層以剝落失效為主，微缺陷數(shù)量較多時則以分層失效為主。67f3）涂層表面粗糙度f 涂層表面粗糙度是指涂層工作狀態(tài)下的接觸表面的光滑程度。粗糙度較高的涂層接觸疲勞壽命較低，反之壽命較高。分析認(rèn)為，在相同

4、的潤滑條件下，粗糙度較大時，由于涂層潤滑不充分，表面微凸體相互挫傷，形成局部裂紋，裂紋擴展最終導(dǎo)致磨削后涂層中出現(xiàn)表面磨損、剝落等近表層失效，涂層壽命短；粗糙度較小時，涂層潤滑條件良好，對摩副分離充分，表面未受到直接沖擊，近表面未發(fā)生磨損和剝落現(xiàn)象，涂層的接觸疲勞壽命提高，失效形式以分層失效為主。8f4）殘余應(yīng)力f 通常情況下，殘余應(yīng)力誘導(dǎo)的涂層失效模式可以劃分為三類，即分層失效、表面裂紋及脹裂引起的剝落，如圖4所示，其中t及c分別表示拉應(yīng)力和壓應(yīng)力。在涂層內(nèi)部，拉應(yīng)力過大會導(dǎo)致開裂失效，或邊緣分層失效；而壓應(yīng)力的不合理分布則會導(dǎo)致脹裂、剝落或邊緣分層等失效模式的發(fā)生。910f5）結(jié)合強度f

5、涂層/基體的結(jié)合強度是影響涂層服役持久性的重要指標(biāo)，通過疲勞試驗可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)合強度較低的涂層，以快速而嚴(yán)重的分層失效為主，涂層壽命較短，且分散程度高；而結(jié)合強度較高的涂層主要發(fā)生表面磨損和剝落失效，涂層壽命較長，且分散程度低，易于進行壽命預(yù)測。11f6）接觸應(yīng)力f 在較低接觸應(yīng)力作用下，涂層易產(chǎn)生點蝕失效，失效形貌如圖a所示，表面出現(xiàn)大量的麻點，且多分布在接觸磨痕的范圍之內(nèi)，深度較淺；在較高接觸應(yīng)力作用下，涂層易產(chǎn)生剝落失效，失效形貌如圖b所示，在涂層滾動區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)形狀不規(guī)則的剝落坑，面積大于點蝕坑；在很高接觸應(yīng)力作用下，涂層易發(fā)生分層失效，如圖c，d所示。材料去除的面積大于接觸磨痕范圍，部分

6、基體暴露，深度比剝落坑深得多。1213f 分析認(rèn)為，接觸應(yīng)力導(dǎo)致的涂層內(nèi)部剪切應(yīng)力變化是涂層產(chǎn)生上述失效的主要原因。低接觸應(yīng)力條件下，涂層內(nèi)部和界面處的剪切應(yīng)力較小，無法有效地破壞涂層的內(nèi)聚或涂層與基體的結(jié)合，主要發(fā)生輕微的表面點蝕或剝落等近表層失效;高接觸應(yīng)力條件下，涂層與基體界面上的剪切應(yīng)力增大，過大的界面剪切應(yīng)力使涂層界面上的缺陷在較短的時間內(nèi)萌生為疲勞裂紋，并快速擴展到表面，形成涂層的整層分層失效。14153. 3. 摩擦磨損摩擦磨損f 涂層的熔覆情況和孔隙率、晶粒大小、形狀、涂層硬度等等,都會影響涂層的耐磨性能。而這些因素與噴涂工藝參數(shù)密切相關(guān)。f 等離子噴涂參數(shù)不同,涂層的孔隙率、

7、夾雜、涂層晶粒的大小和分布、涂層微裂紋、殘余應(yīng)力的大小等都有不同,導(dǎo)致獲得不同硬度的涂層,從而影響涂層的摩擦磨損性能。16f(l)電弧電流的影響f 電弧電流的增大,能提高等離子弧的溫度。等離子弧溫度越高,噴涂粉末熔化越好,涂層的孔隙率越小,夾雜物也越少,涂層更均勻和致密,耐磨性能更好。但電弧電流過大,粉末經(jīng)過弧區(qū)時,吸收熱量也越多,涂層殘余熱應(yīng)力也越大,也容易形成微裂紋。同時電弧電流過大,粉末經(jīng)過弧區(qū)時,流動性能較差的粉末、飛行速度較小的和顆粒越細(xì)小的粉末,可能有一部分被氣化。這些氣化的粒子夾在熔融粒子之間,攤平后氣孔收縮,形成孔隙和夾雜。17f(2)工作氣體的影響f Ar氣作為等離子體發(fā)生氣體,H2氣作為輔助性氣體,也是等離子噴涂重要的工藝參數(shù)之一,直接影響等離子焰流的溫度、熱焓和流速。Ar氣和H2氣流量的增加,導(dǎo)致電弧電壓的增加,功率的增大,有利于獲得夾雜物少、致密和均勻的涂層,涂層的耐磨性能也越好。但是Ar氣流量過大,會使離子濃度減小,焰流溫度和熱燴會有所降低,等離子焰流速度變大,粒子在焰流中加熱時間變短,粉末熔化不均勻,涂層組織疏松,孔隙率增大,涂層耐磨性能惡化。18f(3)噴涂距離的影響f 噴涂距離也是重要影響因素之一。粉末在等離子弧區(qū)熔融、加速,在離噴嘴某一段距離