等离子喷涂失效分析总结

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Hale Waihona Puke Baidu
分析认为，接触应力导致的涂层内部剪切应力变化是 涂层产生上述失效的主要原因。低接触应力条件下，涂层 内部和界面处的剪切应力较小，无法有效地破坏涂层的内 聚或涂层与基体的结合，主要发生轻微的表面点蚀或剥落 等近表层失效 ; 高接触应力条件下，涂层与基体界面上的 剪切应力增大，过大的界面剪切应力使涂层界面上的缺陷 在较短的时间内萌生为疲劳裂纹，并快速扩展到表面，形 成涂层的整层分层失效。
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2. 接触疲劳

接触疲劳失效是材料在交变载荷作用下，局部产生永 久性累积损伤，并在一定循环次数后，形成接触表面发生 麻点、浅层或深层剥落等材料去除的过程，是机械产品 (如齿轮、轴承、轧辊)常见的表面失效形式。 热喷涂层接触疲劳寿命是指试样接触表面在循环接触 应力作用下直至疲劳失效时所经受的 应力循环次数，是表 征涂层接触疲劳性能的关键指标。
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(3)喷涂距离的影响
喷涂距离也是重要影响因素之一。粉末在等离子弧区 熔融、加速 , 在离喷嘴某一段距离时速度最大。当喷涂距 离小于这段距离 , 熔融的粒子加速不够；当喷涂距离大于 这段距离时 , 粒子的速度开始减小。粒子撞击基体或涂层 的速度较低 , 导致涂层疏松 , 涂层层间裂纹较大。同时 , 粒 子撞击速度过低,未能把涂层间气体排掉,容易形成孔洞和 夹杂物。
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2）微缺陷
热喷涂层是由高温熔滴撞击基体或已形成的涂层表面， 之后经过扁平变形、冷却凝固而成的，这一过程致使涂层 内部不可避免地存在微孔隙、微裂纹、氧化物、未熔颗粒 等缺陷，如图 2 、图 3 所示。研究表明，涂层的接触疲劳 寿命随涂层内孔隙率的增加而减小。通过对试件失效模式 的统计发现，微缺陷数量较少时，涂层以剥落失效为主， 微缺陷数量较多时则以分层失效为主。

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疲劳寿命影响因素可以分为与涂层表面完整性相关的 内因和与涂层服役工况相关的外因。 残余应力 微缺陷 涂层厚度 内因 结合强度 表面硬度 表面粗糙度等 润滑状况等 外因 转速 接触应力

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1）涂层厚度
研究表明，厚涂层的疲劳寿命相对较长，但寿命分散 性较大，不易进行寿命预测；薄涂层的疲劳寿命较短，但 寿命分散性相对较小。从涂层失效模式来看，薄涂层的失 效模式相对较平均，各种失效模式均有出现；而 厚涂层的 失效模式以剥落和表面磨损失效为主 ，基本不会出现分层 失效，即适当增加涂层厚度能够有效预防分层失效这一严 重损伤失效模式的出现。
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4）残余应力
通常情况下，残余应力诱导的涂层失效模式可以划分 为三类，即分层失效、表面裂纹及胀裂引起的剥落，如图 4 所示，其中σt及σc分别表示拉应力和压应力。在涂层 内部，拉应力过大会导致开裂失效，或边缘分层失效；而 压应力的不合理分布则会导致胀裂、剥落或边缘分层等失 效模式的发生。
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3）涂层表面粗糙度
涂层表面粗糙度是指涂层工作状态下的接触表面的光 滑程度。粗糙度较高的涂层接触疲劳寿命较低，反之寿命 较高。分析认为，在相同的润滑条件下，粗糙度较大时， 由于涂层润滑不充分，表面微凸体相互挫伤，形成局部裂 纹，裂纹扩展最终导致磨削后涂层中出现表面磨损、剥落 等近表层失效，涂层寿命短；粗糙度较小时，涂层润滑条 件良好，对摩副分离充分，表面未受到直接冲击，近表面 未发生磨损和剥落现象，涂层的接触疲劳寿命提高，失效 形式以分层失效为主。
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3. 摩擦磨损

涂层的熔覆情况和孔隙率、晶粒大小、形状、涂层硬 度等等 , 都会影响涂层的耐磨性能。而这些因素与喷涂工 艺参数密切相关。 等离子喷涂参数不同 , 涂层的孔隙率、夹杂、涂层晶 粒的大小和分布、涂层微裂纹、残余应力的大小等都有不 同,导致获得不同硬度的涂层 ,从而影响涂层的摩擦磨损性 能。
等离子喷涂失效分析
1. 等离子喷涂


等离子喷涂在当今生产中得到广泛的应用，它的热源 来自等离子焰流，其焰流中心的温度可达30000K，喷枪喷 嘴处的温度也能达到15000K。 高温可以将金属材料或者陶瓷材料加热到熔化或者半 熔化状态，同时用高速电离气流将液化的涂层材料沉积到 经过处理的基体表面上，形成牢固的、具有高硬度、耐磨、 防腐、耐高温等性能的表面防护涂层，提高工件的使用寿 命。
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(2)工作气体的影响
Ar气作为等离子体发生气体,H2气作为辅助性气体,也 是等离子喷涂重要的工艺参数之一 , 直接影响等离子焰流 的温度、热焓和流速。 Ar 气和 H2 气流量的增加 , 导致电弧 电压的增加,功率的增大,有利于获得夹杂物少、致密和均 匀的涂层,涂层的耐磨性能也越好。但是Ar气流量过大,会 使离子浓度减小,焰流温度和热烩会有所降低 ,等离子焰流 速度变大 , 粒子在焰流中加热时间变短 , 粉末熔化不均匀 , 涂层组织疏松,孔隙率增大,涂层耐磨性能恶化。

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(l)电弧电流的影响
电弧电流的增大 , 能提高等离子弧的 温度。等离子弧温度越高,喷涂粉末熔化 越好,涂层的孔隙率越小,夹杂物也越少, 涂层更均匀和致密,耐磨性能更好。但电 弧电流过大 , 粉末经过弧区时 , 吸收热量 也越多 , 涂层残余热应力也越大 , 也容易 形成微裂纹。同时电弧电流过大,粉末经 过弧区时,流动性能较差的粉末、飞行速 度较小的和颗粒越细小的粉末,可能有一 部分被气化。这些气化的粒子夹在熔融 粒子之间 , 摊平后气孔收缩 , 形成 孔隙和 夹杂。


5）结合强度
涂层 / 基体的结合强度是影响涂层服役持久性的重要 指标，通过疲劳试验可以发现，结合强度较低的涂层，以 快速而严重的分层失效为主，涂层寿命较短，且分散程度 高；而结合强度较高的涂层主要发生表面磨损和剥落失效， 涂层寿命较长，且分散程度低，易于进行寿命预测。
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6）接触应力
在较低接触应力作用下，涂层易产生点蚀失效，失效 形貌如图 a 所示，表面出现大量的麻点，且多分布在接触 磨痕的范围之内，深度较浅；在较高接触应力作用下，涂 层易产生剥落失效，失效形貌如图 b 所示，在涂层滚动区 域内出现形状不规则的剥落坑，面积大于点蚀坑；在很高 接触应力作用下，涂层易发生分层失效，如图c，d所示。 材料去除的面积大于接触磨痕范围，部分基体暴露，深度 比剥落坑深得多。