激光織構(gòu)化Ni60噴涂涂層的成形機(jī)制及其服役性能研究

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1、分類號(hào)：密級(jí)：ＵＤＣ：編號(hào)：工學(xué)博士學(xué)位論文激光織構(gòu)化Ｎｉ６０噴涂涂層的成形機(jī)制及其服役性能研究博士研究生：譚娜指導(dǎo)教師：徐濱士教授學(xué)科、專業(yè)：材料科學(xué)與工程哈爾濱工程大學(xué)２０１８年０６月分類號(hào)：密級(jí)：UDC：編號(hào)：工學(xué)博士學(xué)位論文激光織構(gòu)化Ni60噴涂涂層的成形機(jī)制及其服役性能研究博士研究生：譚娜指導(dǎo)教師：徐濱士教授學(xué)位級(jí)別：工學(xué)博士學(xué)科、專業(yè)：材料科學(xué)與工程所在單位：材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院論文提交日期：2018年04月03日論文答辯日期：2018年06月05日學(xué)位授予單位：哈爾濱工程大學(xué)ClassifiedIndexU.D.C:ADissertat

2、ionfortheDegreeofD.EngInvestigationofLaserSurfaceTextureontheFormingMechanismandFatiguePropertyofNi60SprayedCoatingsCandidate:NaTanSupervisor:Prof.BinshiXuAcademicDegreeAppliedfor:DoctorofTechnicalScienceSpecialty:MaterialsScienceandEngineeringDateofSubmission:April3,2018DateofOralExamination:June5

3、,2018University:HarbinEngineeringUniversity激光織構(gòu)化Ni60噴涂涂層的成形機(jī)制及其服役性能研究摘要等離子噴涂層已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用來提高零件表面的耐磨、耐腐蝕以及抗疲勞等性能。但由于噴涂層是噴涂顆粒的堆疊形成的，因此涂層之間存在裂紋氣孔等缺陷，并且涂層與基體的結(jié)合類型屬于機(jī)械結(jié)合，使噴涂涂層的結(jié)合強(qiáng)度很低，極易在服役過程中失效，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)服役系統(tǒng)失穩(wěn)破壞。需要針對(duì)涂層的服役環(huán)境及失效特點(diǎn)對(duì)其性能進(jìn)行改善。激光織構(gòu)化處理是改善涂層表面與界面性能行之有效的新方法，但是應(yīng)用織構(gòu)化處理提高噴涂層性能的研究卻鮮有文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)。本文將織構(gòu)圖案制備于涂層界面來提高Ni

4、60噴涂涂層的結(jié)合強(qiáng)度，結(jié)合圖像處理軟件（ImageProPlus）對(duì)織構(gòu)化圖案提高噴涂層結(jié)合強(qiáng)度的機(jī)理進(jìn)行了探討；利用單個(gè)顆粒收集技術(shù)獲得顆粒的沉積形貌，分析織構(gòu)參數(shù)對(duì)噴涂顆粒鋪展行為的影響，研究了噴涂涂層在織構(gòu)化處理的基體表面的成形機(jī)理；探索了織構(gòu)圖案粗糙度參數(shù)對(duì)噴涂顆粒高溫潤濕性能的影響，并建立了噴涂涂層結(jié)合強(qiáng)度與粗糙度參數(shù)的關(guān)系；同時(shí)，將仿生織構(gòu)圖案制備于噴涂涂層表面，利用YS-2疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)涂層的滾動(dòng)接觸疲勞壽命進(jìn)行考察，并對(duì)不同結(jié)合強(qiáng)度下噴涂涂層的滾動(dòng)接觸疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。研究了織構(gòu)圖案形狀（溝槽形、正方形及六邊形）對(duì)噴涂涂層結(jié)合強(qiáng)度的影響，并與噴砂處理后的結(jié)合強(qiáng)度（50MPa）

5、進(jìn)行對(duì)比，分析了織構(gòu)化圖案影響涂層結(jié)合強(qiáng)度的機(jī)理。結(jié)果表明，對(duì)比于噴砂處理，溝槽形織構(gòu)化處理后界面處增加接觸面積率（CZR）提高了1.28倍，涂層的結(jié)合強(qiáng)度為58MPa。正方形形織構(gòu)化處理后涂層的結(jié)合強(qiáng)度最低為33MPa，導(dǎo)致涂層結(jié)合強(qiáng)度差異的原因?yàn)榭棙?gòu)圖案形狀改變了界面處增加接觸面積率、織構(gòu)圖案的密度及界面處平面區(qū)的面積。研究了織構(gòu)圖案的深度（H）、直徑（D）及間距（L）對(duì)噴涂涂層填充行為及成形機(jī)制的影響，并探討了織構(gòu)圖案參數(shù)的交互作用對(duì)涂層結(jié)合強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，隨織構(gòu)圖案深度的增加織構(gòu)內(nèi)部逐漸產(chǎn)生氣孔，涂層的結(jié)合強(qiáng)度取決于增加接觸面積率與織構(gòu)內(nèi)氣孔體積（Vt）的競爭機(jī)制；涂層結(jié)合強(qiáng)度

6、隨織構(gòu)直徑的增大呈整體上升趨勢(shì)，隨織構(gòu)間距的增大而降低。織構(gòu)圖案的直徑會(huì)影響噴涂顆粒在凹坑內(nèi)部的潤濕行為，而織構(gòu)圖案的間距會(huì)改變噴涂液滴在平面區(qū)域的結(jié)合類型；考慮到織構(gòu)圖案參數(shù)的交互作用，織構(gòu)圖案的徑-間比（D/L）是影響涂層結(jié)合強(qiáng)度的直接參數(shù)。研究了粗糙度參數(shù)與噴涂液滴高溫潤濕性的關(guān)系，利用高斯通過率波長限定實(shí)現(xiàn)了織構(gòu)化表面粗糙度參數(shù)的分級(jí)提取，并建立了振幅參數(shù)（Ssk，Sku）與涂層結(jié)合強(qiáng)度的關(guān)系。結(jié)果表明，隨振幅參數(shù)Ssk及空間參數(shù)Str增加，噴涂液滴潤濕角增加，而隨振幅I哈爾濱工程大學(xué)博士學(xué)位論文參數(shù)Sku的增加及空間參數(shù)Sal的增加，噴涂液滴潤濕角降低。激光織構(gòu)化表面的納米級(jí)堆積物

7、質(zhì)有利于Sku的增加，能夠提高液滴的潤濕性。粗糙度的振幅參數(shù)（Ssk，Sku）可以用來建立與噴涂涂層結(jié)合強(qiáng)度的關(guān)系，但是結(jié)合強(qiáng)度隨振幅參數(shù)的變化趨勢(shì)由織構(gòu)直徑與噴涂顆粒粒徑的關(guān)系而確定。研究了界面織構(gòu)化圖案改善噴涂涂層滾動(dòng)接觸疲勞性能的機(jī)理，結(jié)果表明界面織構(gòu)化圖案可以提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度，能有效改善接觸疲勞條件下的分層失效；同時(shí)，對(duì)不同結(jié)合強(qiáng)度（50MPa、60MPa及70MPa）的涂層的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn)，