本發明涉及噴涂材料技術領域，具體涉及一種雙層織構耦合作用提高涂層疲勞強度的方法。

背景技術：

由于噴涂涂層本身具有空隙率相對較高，存在夾雜、纖維裂紋等缺陷，使得噴涂涂層在服役過程中易形成裂紋擴展，導致壽命降低。對現有表面涂層性能的提升主要是在涂層成形后采用激光重熔、表面強化等二次加工技術，雖然這些技術手段對涂層性能的提升起到了一定效果，但宏觀性能是材料內部結構與質量的外在表征，所以這些技術并不能對已形成固定內部結構涂層的服役性能從本質上有較大提升。

超音速等離子噴涂技術因其能夠在大型零件上制備較厚厚度的涂層而被廣泛應用在實際工程領域，通過等離子噴涂技術可以實現多中材料不同體系的涂層，如金屬及合金、陶瓷、金屬陶瓷及塑料等，并且噴涂涂層也體現出不同的功能，如耐磨、熱障、導電、防輻射等。但是由于噴涂涂層本身具有空隙率相對較高，存在夾雜、纖維裂紋等缺陷，使得噴涂涂層在服役過程中易形成裂紋擴展，導致壽命降低。

織構化已經被廣泛應用在減摩抗磨的研究中，并且通過織構化的方法已經實現了材料的性能的大幅度提高，織構化能夠提高材料摩擦學性能的主要原因是因其能夠儲存磨屑及潤滑油，對摩擦表面提供持續潤滑，但是對噴涂涂層進行織構化，利用織構化不同形貌改變接觸條件繼而提高噴涂涂層的抗疲勞性能的研究很少。

技術實現要素：

為了能夠提高涂層的服役壽命，擴展涂層的性能，本發明的目的是提供 一種提高涂層疲勞強度的方法。

本發明的又一目的在于提供一種能夠有效提高噴涂涂層抗疲勞性能的織構化圖案。

為了實現本發明的目的，本發明提供了一種雙層織構耦合作用提高涂層疲勞強度的方法，這種方法是通過生物仿生學模擬，在基體表面及涂層表面制備織構化圖案。表面織構是一種仿生物表面組織結構，改變表面幾何構型，進而提高機械系統摩擦性能的加工技術。噴涂前基體表面織構化，因織構化圖案增加了涂層的接觸面積、為涂層提供了更多的鎖合點，進而改善了噴涂涂層的結合強度；涂層表面織構化因其能夠增加儲存度，從而改善了材料的摩擦學性能。

具體地，本發明的方法包括如下步驟：

(1)利用激光過程在基體表面制備織構圖案；

(2)利用超音速等離子噴涂方法對步驟(1)所得的基體進行噴涂；

(3)利用激光過程對步驟(2)所得的涂層表面進行織構化處理。

優選的，該方法步驟(1)中的基體還包括清洗打磨處理。所述基體優選不銹鋼，具體選用FV520B。

優選的，步驟(1)中激光過程的具體工藝參數為：激光功率為80-120W，掃面速度為600-900mm/s，頻率為15-25HZ。該過程通過控制加工次數來控制所選織構的深度，加工次數為3-7次，通過激光織構化方法可以得到一定尺寸、一定密度的規則的織構化圖案。

優選的，步驟(2)中所述噴涂工藝參數為噴涂電壓120V，噴涂電流440A，噴涂功率55kW，噴涂距離100mm。噴涂所選用的涂層為NiCrBSi陶瓷涂層，超音速等離子噴涂得到厚度為100微米左右的噴涂涂層，其中NiCrBSi粉末的粒度為50-60微米。

優選的，步驟(3)中激光過程的具體工藝參數為：激光功率為80-120W，掃面速度為600-900mm/s，頻率為15-25HZ。通過控制激光的能量來控制所選織構的深度，通過激光織構化方法可以得到一定尺寸、一定密度的規則的織構化圖案。

本發明所用的激光為脈沖激光，所用的能量和加工次數決定著織構化圖案的深度，通過系統自帶的畫圖軟件，可以將所需要的一定尺寸一定形狀按 照一定間距的織構化圖案預先畫出來，然后對試樣表面進行加工，可以得到精細尺寸結構的織構化圖案。

進一步地，本發明提供了一種能夠有效提高噴涂涂層抗疲勞性能的織構化圖案。所述圖案包括任意幾何圖案或幾種幾何圖案的組合，如圓、三角形、六邊形、溝槽形、網格形、箭頭形或條紋形等。

優選的，所述織構化圖案的密度為大于0％，并且小于50％；織構化圖案在基體或涂層表面所占的面積比即密度。

本發明的有益效果如下：

本發明采用織構化作為一種噴涂前處理和后處理聯合的手段，通過織構化提高噴涂涂層的結合強度并且通過表面織構化來改善噴涂涂層的抗接觸疲勞性能，從而延長了涂層的服役性能。

附圖說明

圖1本發明基體表面不同形狀織構下涂層與基體的結合強度；

圖2本發明涂層表面不同織構形狀下涂層的疲勞強度；

圖3本發明涂層的疲勞強度隨結合強度的變化；

圖4本發明疲勞強度隨箭頭形織構角度的變化；

圖5本發明基體表面與涂層表面雙層織構化耦合示意圖。

附圖標記如下：

基體1，涂層2，基體表面織構化3，涂層表面織構化4。

具體實施方式

以下通過實施例來進一步描述本發明的有益效果，應該理解的是，這些實施例僅用于例證的目的，決不限制本發明的保護范圍。

實施例1制備雙層織構耦合的涂層

第一步：

首先對基體進行清洗打磨處理，所述基體優選不銹鋼，具體選用FV520B。

第二步：

用激光過程在基體表面制備織構化圖案

首先，在畫圖軟件中做出圓形與三角形組合織構，圓形與溝槽形組合織構，網格型織構，六邊形織構圖案，然后利用激光加工，在基體表面制備織構化圖案。

其中，圓形與三角形組合織構，圓的直徑為150微米，圓心間距為200微米，在圓與圓的間隙制備邊長為100微米的三角形；

圓形與溝槽形組合織構，其中溝槽的寬角度為150微米，間距為200微米，在溝槽的間距排列直徑為100微米，縱向間距為200微米的圓；

網格織構，為橫向與縱向均有溝槽形的分布，其中溝槽的寬度的150微米，間距為200微米；

六邊形織構邊長為150微米，間距為200微米。

激光加工過程的具體工藝參數：所用激光功率為90W，掃描速度為700mm/s，頻率為20HZ，通過加工次數來控制織構化圖案的深度，加工次數為6次，得到深度為80微米的織構化圖案，織構化圖案的密度為30％。

第三步

利用超音速等離子噴涂方法進行噴涂

所述的步驟(3)中噴涂設備選用礦冶研究總院的高效GTV F6等離子噴涂設備，噴涂工藝參數為噴涂電壓120V，噴涂電流440A，噴涂功率55kW，噴涂距離100mm。最終獲得一定厚度的涂層。噴涂所選用的涂層為NiCrBSi陶瓷涂層，超音速等離子噴涂得到厚度為100微米左右的噴涂涂層，其中NiCrBSi粉末的粒度為56微米。

第四步

利用激光過程對涂層表面進行織構化處理

激光功率為80W，掃描速度為600mm/s，頻率為20HZ，通過激光織構的方法可以得到深度為60微米，密度為40％的織構化圖案，具體圖案為：圓形與條紋形，六邊形，三角形，箭頭形，條紋形。

其中圓形與條紋形組合，條紋形寬度為50微米，條紋間距為70微米，圓形均勻分布在條紋形織構中間，直徑為50微米；

六邊形邊長為60微米，間距為70微米；

三角形邊長為95微米，兩個三角形底邊定點間距為70微米；

箭頭形寬度為60微米，寬度為兩條邊的垂直距離，每個箭頭的間距為 70微米；

條紋形寬度為50微米，間距為70微米。

其中，基體表面為網格形涂層表面，涂層表面為箭頭形的雙層織構化耦合涂層的示意圖請參見附圖5。

實施例2對比例

在實施例1相同的條件參數情況下，在沒有織構化的基體上制備噴涂涂層進行實驗對比。

實施例3對實施例1制備的涂層進行滾動接觸疲勞測試，并改變接觸疲勞的滑差率，觀察在不同滑差率條件下涂層的抗疲勞性能。

為了測量涂層的各項性能，采用Nova NanoSEM450型掃描電子顯微鏡觀察噴涂后織構的幾何形貌。

為了測試不同織構化圖案對噴涂涂層的抗疲勞性能的影響，采用滾動接觸疲勞試驗機對噴涂涂層的疲勞性能進行測試。

1、基體表面不同形狀織構下涂層與基體的結合強度

采用拉伸試驗機對涂層的結合強度進行測試，所用拉伸試驗機的型號為：MTS809型電子萬能材料試驗機。廠家為：美國MTS公司。對實施例1制備的不同形狀的織構化圖案，然后噴涂涂層，然后進行拉伸測試，涂層從基體斷裂的力比涂層的面積為最終的結合強度，測試結果如圖1所示，無織構化的基體表面的結合強度為50MPa，而基體表面不同形狀織構下涂層與基體的結合強度在60MPa到70MPa之間，相對于無織構化的基體表面相比，織構化圖案顯著提高了涂層的結合強度，而且涂層的結合強度隨織構化圖案的形狀而變化，從所選用的圖形中，網格圖案具有最好的結合強度，結合強度為68MPa。

2、涂層表面不同織構形狀下涂層的疲勞強度

為了測試涂層織構化圖案對涂層結合強度的影響，對織構化的涂層進行疲勞強度測試，所用設備為常用疲勞試驗機。測試結果如圖2所示，無織構化的涂層表面的結合強度為500MPa，而涂層表面不同形狀織構下的疲勞強度在500MPa到600MPa之間，相對于無織構化的涂層表面，有織構化圖案的涂層表面具有較好的抗疲勞強度，且涂層的疲勞強度隨織構化圖案的形狀而改變，在所選的圖形當中，箭頭形織構具有最優的疲勞強度，為580MPa。

3、涂層的疲勞強度隨結合強度的變化

為了測試涂層的疲勞強度隨結合強度的變化，以優選實例1第一步中基體表面織構化得圖案，測試了涂層的疲勞強度隨結合強度(及第1點中所得到的涂層的結合強度)的變化，所用設備為疲勞試驗機，型號與廠家與實例3中第2點一致。測試結果如圖3所示，為涂層的疲勞強度隨結合強度的變化曲線，可以看出，涂層的疲勞強度是隨結合強度的增加而增加的，即雙層織構的耦合作用能夠顯著提高涂層的疲勞強度。

4、疲勞強度隨箭頭形織構角度的變化

為了測試實例3中第2點中箭頭形織構的角度對涂層疲勞強度的影響，變化箭頭形的角度，所制備箭頭形角度為15度，25度，35度，45度，對制備的不同角度的箭頭形的圖案進行疲勞測試，所用試驗機與實例3中第2點中一致。測試結果如圖4所示，為涂層的疲勞強度隨箭頭織構角度的變化，可以看出，涂層的疲勞強度是隨織構化角度而變化的，且織構化角度有一個最優值，當箭頭織構角度在35度時，涂層的疲勞強度最高。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。