梯度结构对氧化铝陶瓷涂层结合强度及抗冲击性能影响的试验研究_程西云

式中，p 为幂指数成分分布指数。 通过改变 p 值的大小， 可以改变 Vc ( 2 y ) 曲线的 形状。图 2 为不同分布指数对应的成分分布曲线， 可以看出，对二组元梯度材料，改变幂函数指数值 能得到不同形式渐变梯度层， 当 p =1.00 时， 组元在 梯度层中体积分数按线性关系变化，当 p = 4.00 时， 组元体积分数按幂指数变化，此时梯度层中氧化铝 的体积分数较线性梯度小。 采 用 Sulzer Metco F4 大 气 等 离 子 喷 枪 (Atmosphere plasma spray，APS)制备具有幂指数为 0.25、1.00、4.00 三种结构的梯度层，梯度层采用 6 层“三明治”式结构进行模拟。第一层为同基体粘 接层，粉体材料为镍铝合金粉末，表 1 为三种幂指 数梯度涂层中氧化铝的设计体积分数及各层厚度。 等离子喷涂制作梯度涂层主要工艺参数如下：喷涂
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定的缓和。近年来，3D 激光打印技术、等离子喷涂 技术的应用，使得按零件性能要求设计制备梯度涂 层成为可能
[2-4]
聚现象基本消除。
。虽然梯度涂层有许多优异特性，但
将其引入到机械零件表面尚有许多问题急待解决， 机械零件表面耐磨涂层同热障涂层相比，有它的特 殊性，机械零件表面涂层除承受热应力外，更主要 是承受摩擦力和压力引起的内应力，此外还承受冲 击载荷、疲劳载荷，涂层应力较复杂。必须进行涂 层结构的合理设计，使得涂层结构满足特定的工况 要求，具有耐磨、耐疲劳、冲击缓和等功能，才能 够使涂层在机械零件表面有更好的应用。 程西云等 对梯度涂层抗冲击性能有限元建模 分析表明，采用 5～10 层梯度结构能有效减缓陶瓷 涂层界面应力，提高涂层抗冲击性能。采用等离子 喷涂方法在 45 钢基体表面喷涂涂层， 通过对涂层粉 体配方控制，得到了 6 层具有不同梯度结构形式的 “三明治”式镍/氧化铝梯度涂层，试验研究了梯度 结构与涂层耐冲击性能关系，并考察了不同梯度结 构涂层抗冲击性能及失效形式。结果表明梯度结构 对镍基氧化铝梯度涂层抗冲击性能有较大的影响， 合理的梯度结构减缓了冲击载荷，涂层冲击失效形 式发生了变化。 1.2
何 俊
515063)
(汕头大学工学院
摘要：理论分析表明梯度结构能有效减缓氧化铝陶瓷层与基体结合面上的应力突变，涂层内部最大 Mises 应力明显降低，合 理的梯度结构能改善涂层内部 Mises 应力分布，改变应力分布特征。为验证理论分析结果的正确性，采用等离子喷涂制备具 有不同幂指数分布特征的 6 层“三明治”式梯度结构涂层，对梯度涂层结构进行表征，并试验研究涂层的结合强度及抗冲击 性能。结果表明，试验用梯度结构具备 p=0.25，1.00，4.00 次方幂指数梯度结构特征，不同结构梯度层结合强度均在 14.0～ 18.0 MPa，幂指数 p=1.00 的涂层结合强度最好，而幂指数 p=0.25 涂层抗冲击性能最好，较线性结构梯度涂层提高了 30%， 较幂指数 p=4.00 结构的梯度涂层提高了 45%，冲击失效后涂层截面分析证实 p=0.25 次方幂指数梯度结构减少了表面陶瓷层 的应力， 减缓了陶瓷层基体间应力突变梯度， 涂层失效是从底层开始的， 失效形式为梯度涂层层状结构间出现分层， 而 p=1.00、 4.00 次方幂指数梯度结构涂层冲击失效表现为表面陶瓷层脱落。 关键词：梯度涂层；结合强度；冲击载荷；失效分析 中图分类号：TH117
第 50 卷第 10 期 2014 年 5 月
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Vol.50 May
No.10 2014
JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING
DOI：10.3901/JME.2014.10.087
梯度结构对氧化铝陶瓷涂层结合强度 及抗冲击性能影响的试验研究*
程西云 肖 舒
汕头
图1
(b) 喷涂用氧化铝粉体 10 μm
[5]
50 μm (a) 具有球形结构的 Ni60 粉体
Ni60 合金粉及氧化铝粉体扫描电镜照片
பைடு நூலகம்
梯度涂层的描述与制备
1
1.1
试验材料及方法
粉体的制备 涂层粉体采用 Ni60 自熔合金粉、α-Al2O3 及
采用幂函数形式渐变描述镍 / 氧化铝二组元组 [6] 成的梯度涂层 。对镍 / 氧化铝组成的二元梯度材 料，假定组元成分沿 y 轴涂层厚度方向呈现一维连 续分布，组元氧化铝的体积分数是 y 的一元函数。 [7] 组元分布形式采用 WAKASHIMA 等 提出的幂函 数渐变形式，取 i2 2 y / 2 ，式中，δ2y 为沿 y 轴方 向梯度层厚度，δ2 为梯度层总厚度，沿梯度层厚度 方向上氧化铝组元体积分数分布为 Vc ( 2 y ) i2 100%
(College of Engineering, Shantou University, Shantou 515063)
Abstract：Theory analysis results show gradient structure can reduce the stress mutation in the joint surface between the coating and the substrate comparing with the nongraded interface, the maximum Mises stress of the coatings is significantly reduced, reasonable graded structure can effectively improve the Mises stress distribution of the coatings and change the characteristics of stress distribution. Optimization of the microstructure is required to achieve reductions in certain critical stress components believed to be important for controlling interface failure, and an adopting gradient structure of 0.25 power exponent is proposed, which can effectively reduce impact loads and Mises stress mutations. Supersonic air plasma spraying is used to produce gradient coatings, coatings with designed exponential graded structure and 6 interlayers are prepared, the coatings specimen are analyzed and tested using for microstructure, bonding strength and impact resistance separately. The XRD analysis results of coatings cross-section show the gradient coating present multilayer structure with designed exponential grade characteristics, impact experimental results show impact resistance properties of coating with 0.25 power exponent graded structure increased by 30% compared with linear gradient structure coating, and increased by 45% compared with 4.00 power exponent graded structure coating. The impact stress of coating with structure of 0.25 power exponent graded reduced, the surfact of coating is not is destroged or peeled off, the graded mutilayer structure is layered, and the impact failure mode of gradient structure of 1.00 and 4.00 power exponent are surface layer peeled off. Key words：gradient coating；bonding strength；impact load；failure analysis
0
前言*
梯度结构陶瓷涂层是从基体到陶瓷涂层之间
具有在成分、组织、结构、密度和功能特性上呈现 连续变化的一种涂层结构 。 同单层结构涂层相 比， 这种结构由于宏观特性上的变化是逐渐过渡的， 因而陶瓷层和基体间的内应力小，在高温、冲击载 荷工作环境下，其承受的热应力、冲击应力得到一
[1]
* 广东省高等学校高层次人才资助项目(2011140184002)。 20130616 收到 初稿，20131216 收到修改稿
月 2014 年 5 月
程西云等：梯度结构对氧化铝陶瓷涂层结合强度及抗冲击性能影响的试验研究
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电流 I= 550 A， 电压 U= 50 V， 主气流量为 40 L/min， 次气流量为 3.5 L/min，送粉量 10 g/min，喷涂距离 D= 85 mm，喷涂角 θ= 85°～90°。 2.1 梯度涂层组织结构 图 4 为不同幂指数特征梯度层横截面扫描电镜 照片，图 4 中底部灰色部分为基体，利用 ASEM 定 点分析证实图中梯度涂层中灰白色部分为镍元素， 深灰色部分为氧化铝，可以看出，梯度层各中间层 厚度在 116～130 μm，与设计值基本一致。
Experiment Study of Influences of Gradient Structure on the Bonding Strength and Impact Resistance of Al2O3 Ceramic Coatings
CHENG Xiyun XIAO Shu HE Jun
p
CeO2 混合粉体，Ni60 自熔合金粉各元素质量分数 分 别 如 下 ： wC=3.0% ， wCr=19.0% ， wB=2.3% ， wSi=2.0%，wFe=6.0%，其余为 Ni，粒度小于 80 μm， 图 1a 为其形貌扫描电镜照片；α-Al2O3 粉体粒度小 于 60 μm，图 1b 为其形貌扫描电镜照片，CeO2 为 分析纯级，纯度大于 99.9%，粉体粒度小于 3 μm， 混合粉体中 α-Al2O3 质量分数为根据不同梯度结构 进行调整，在混合粉体中加入表 1 所示质量分数的 CeO2，将样品分装入 20 mL 容器中，超声振荡 20 min，然后分别加入 KQ100 型变频行星式球磨机球 磨罐中进行湿磨、混料，湿磨介质为乙醇，球磨机 转速为 180 r/min，球磨时间为 16 h，将球磨后粉末 放入电炉中加热到 250 ℃烘干备用。对球磨样品利 用能谱仪测定，结果表明经过球磨混粉后，粉末混 合均匀性良好，对粉体扫描电镜分析表明，球磨后 粉体粒径为 10～30 μm，粉体中 α-Al2O3、CeO2 团
2
试验结果与分析
图2
不同 p 值下的二组元体积分数分布曲线 不同幂指数特征梯度层设计参数
氧化铝体积分数(%) p=0.25 0 71.1 79.3 85.5 90.6 100.0 p=1.00 0 25.6 39.5 53.5 67.4 100 p=4.00 0 0.4 2.4 8.2 20.7 100.0 涂层设计 厚度/μm 100 120 120 120 120 280