本發明涉及涂層材料技術領域，具體涉及一種基于織構形狀提高涂層結合強度的結構和方法。

背景技術：

等離子噴涂涂層能夠實現大尺寸零件的加工，且能夠得到較厚的涂層厚度，因此被廣泛的應用跟在工程領域，但是因其與基體的結合方式屬于機械結合，這就導致噴涂涂層的結合力較低，而基體與涂層的結合強度是影響熱噴涂涂層服役性能的至關重要的因素。若噴涂涂層由于其結合強度較弱，在服役時，在涂層界面處容易發生失效行為，因此，很多手段已經被應用于噴涂前處理，如噴丸、化學除油等。但是化學方法除油會在表面產生化學反應，引進新的氧化物，造成基體表面化學成分的改變，且所使用的化學藥品對人體和環境均有害；而噴丸過程雖然能夠使基體表面得到一定的粗糙度，但是所得到的圖案不規則，不易于控制，并且噴砂過程會導致基體的變形，甚至使基體表面具有顯微裂紋?？梢?，傳統的噴涂前粗化處理并不能使涂層的結合力得到有效的提高。

因此，提供一種基于織構形狀提高涂層結合強度的方法，作為噴涂前處理過程，從而提高涂層與基體的結合力，以期將其應用到工程實踐領域，延長噴涂涂層的服役壽命，就成為本領域技術人員亟待解決的問題。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種基于織構形狀提高涂層結合強度的方法，作為噴涂前處理過程，從而提高涂層與基體的結合力，以期將其應用到工程實踐領域，延長噴涂涂層的服役壽命。本發明的另一目的是提供一種基于織構形狀提高涂層結合強度的結構。

為了實現本發明的目的，本發明提供了一種基于織構形狀提高涂層結合強度的方法，包括以下步驟：

1)制備織構化圖案：基于生物仿生學，利用激光過程在基體表面進行至少一種圖案的織構化加工；

2)參數調整：根據步驟1)中形成的織構化圖案的復雜程度調整噴涂工藝參數，以使不同織構化圖案的加工深度相同；

3)涂層噴涂：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；

4)涂層結合強度測試和校驗：通過掃描電子顯微鏡觀察噴涂前織構的幾何形貌和噴涂后涂層橫截面的sem形貌；使用膠粘紙把棒狀零件粘接在涂層表面，通過測量拉開零件使涂層從基片上剝離所需力的大小，求得涂層的附著力。

進一步地，在步驟1)之前還包括基體預處理步驟，對基體的表面進行打磨清洗處理。

進一步地，在步驟1)中所制備織構化圖案為溝槽形、六邊形和正方形中的任一者或任意兩者的組合或三者的組合。

進一步地，在步驟1)中，所用基體為不銹鋼。

進一步地，步驟2)中所述噴涂工藝參數為：對于溝槽形和正方形織構圖案，激光功率為14w，掃面速度為600mm/s，頻率為20hz，加工次數為2次；對于六邊形織構圖案，激光功率為12w，掃面速度為4000mm/s，頻率為20hz，加工次數為1次。

進一步地，所得到的織構化圖案加工深度為60微米。

進一步地，在步驟3)中所選用的涂層為nicrbsi陶瓷涂層，通過超音速等離子噴涂得到厚度為500微米左右的噴涂涂層，其中nicrbsi粉末的粒度為50-60微米。

本發明還提供一種基于織構形狀提高涂層結合強度的方法，包括基體、在所述基體上制備形成的至少一種圖案的織構化圖案，和在所述織構化圖案上噴涂形成的涂層。

優選地，所述織構化圖案為六邊形、溝槽形和六邊形中的一種或幾種。

優選地，所述基體為不銹鋼，所述涂層為nicrbsi陶瓷涂層。

本發明的有益效果如下：

本發明提供的方法通過改變織構化圖案形狀來改變噴涂涂層結合強度，其噴涂涂層結合強度能夠隨著織構圖案形狀的變化而變化，與現有的織構化提高涂層強度的方法相比較，優化了織構化圖案參數；本發明使用激光織構化方法通過控制激光過程的參數在基體表面得到了一定尺寸及密度的規則排列的織構化幾何圖案。其作為噴涂前處理過程，提高了涂層與基體的結合力，便于將其應用到工程實踐領域，以延長噴涂涂層的服役壽命。

附圖說明

圖1-1為實施例一中溝槽形織構圖案的形態示意圖；

圖1-2為實施例一中溝槽形織構圖案的結合強度示意圖；

圖2-1為實施例二中正方形織構圖案的形態示意圖；

圖2-2為實施例二中正方形織構圖案的結合強度示意圖；

圖3-1為實施例三中六邊形織構圖案的形態示意圖；

圖3-2為實施例三中六邊形織構圖案的結合強度示意圖。

圖4為織構化圖案密度對結合強度的影響測試結果圖。

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。

實施例一

本發明提供了一種基于織構形狀提高涂層結合強度的方法，該方法具體包括以下步驟：

s11基體預處理步驟，對基體的表面進行打磨清洗處理，以去除基體表面雜質，提高噴涂效果；

s12制備織構化圖案：基于生物仿生學，利用激光過程在基體表面進行溝槽形織構圖案的織構化加工；

s13參數調整：根據步驟s12中形成的織構化圖案的復雜程度調整噴涂工藝參數，以使不同織構化圖案的加工深度相同；具體地，對于溝槽形織構圖案，選擇激光功率為14w，掃面速度為600mm/s，頻率為20hz，加工次數為2次；

s14涂層噴涂：利用超音速等離子噴涂方法對步驟s12所得的基體進行噴涂；噴涂設備選用礦冶研究總院的高效gtvf6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。

s15涂層結合強度測試和校驗：通過掃描電子顯微鏡觀察噴涂前織構的幾何形貌和噴涂后涂層橫截面的sem形貌；使用膠粘紙把棒狀零件粘接在涂層表面，通過測量拉開零件使涂層從基片上剝離所需力的大小，求得涂層的附著力。

實施例二

本發明提供了一種基于織構形狀提高涂層結合強度的方法，該方法具體包括以下步驟：

s21基體預處理步驟，對基體的表面進行打磨清洗處理，以去除基體表面雜質，提高噴涂效果；

s22制備織構化圖案：基于生物仿生學，利用激光過程在基體表面進行正方形織構圖案的織構化加工；

s23參數調整：根據步驟s22中形成的織構化圖案的復雜程度調整噴涂工藝參數，以使不同織構化圖案的加工深度相同；具體地，對于正方形織構圖案，選擇激光功率為14w，掃面速度為600mm/s，頻率為20hz，加工次數為2次；

s24涂層噴涂：利用超音速等離子噴涂方法對步驟s22所得的基體進行噴涂；噴涂設備選用礦冶研究總院的高效gtvf6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。

s25涂層結合強度測試和校驗：通過掃描電子顯微鏡觀察噴涂前織構的幾何形貌和噴涂后涂層橫截面的sem形貌；使用膠粘紙把棒狀零件粘接在涂層表面，通過測量拉開零件使涂層從基片上剝離所需力的大小，求得涂層的附著力。

實施例三

本發明提供了一種基于織構形狀提高涂層結合強度的方法，該方法具體包括以下步驟：

s31基體預處理步驟，對基體的表面進行打磨清洗處理，以去除基體表面雜質，提高噴涂效果；

s32制備織構化圖案：基于生物仿生學，利用激光過程在基體表面進行六邊形織構圖案的織構化加工；

s33參數調整：根據步驟s32中形成的織構化圖案的復雜程度調整噴涂工藝參數，以使不同織構化圖案的加工深度相同；具體地，對于六邊形織構圖案，激光功率為12w，掃面速度為4000mm/s，頻率為20hz，加工次數為1次；

s34涂層噴涂：利用超音速等離子噴涂方法對步驟s32所得的基體進行噴涂；噴涂設備選用礦冶研究總院的高效gtvf6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。

s35涂層結合強度測試和校驗：通過掃描電子顯微鏡觀察噴涂前織構的幾何形貌和噴涂后涂層橫截面的sem形貌；使用膠粘紙把棒狀零件粘接在涂層表面，通過測量拉開零件使涂層從基片上剝離所需力的大小，求得涂層的附著力。

在上述各實施例中，所用基體為不銹鋼，所得到的織構化圖案加工深度為60微米，所選用的涂層為nicrbsi陶瓷涂層，通過超音速等離子噴涂得到厚度為500微米左右的噴涂涂層，其中nicrbsi粉末的粒度為50-60微米。所用激光為脈沖激光，其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。

對比例

為了測量涂層的各項性能，采用novananosem450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。

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。對上述各實施例中制備的不同形狀的織構化圖案進行涂層噴涂后進行拉伸測試，涂層從基體斷裂的力比涂層的面積為最終的結合強度。

其中實施例一中溝槽形織構圖案的形態如圖1-1所示，其結合強度如圖1-2所示；實施例二中正方形織構圖案的形態如圖2-1所示，其結合強度如圖2-2所示；實施例三中六邊形織構圖案的形態如圖3-1所示，其結合強度如圖3-2所示。

測試結果如表1所示，基體表面不同形狀織構下涂層與基體的結合強度明顯不同，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，其中溝槽形織構圖案的結合強度最高為57mpa，六邊形織構圖案的結合強度次之為46mpa，正方形織構圖案的結合強度最差為33mpa。

表一不同織構化圖案涂層的結合強度對比

除了織構化圖案，在同一織構化圖案下，結合強度還會隨織構圖案密度而發生變化?？棙嫽瘓D案在基體或涂層表面所占的面積比即密度，為了測試織構化圖案密度對結合強度的影響，選擇正方形織構圖案的密度，對制備的不同密度的正方形織構圖案進行疲勞測試，所用試驗機為常規試驗機。測試結果如圖4所示，為涂層的結合強度隨網格織構密度的變化，可以看出，涂層的結合強度是隨織構化密度而變化的，結合強度呈先上升后下降的趨勢，且織構化密度有一個最優值，當正方形織構密度在30％時，涂層的結合強度最高。

由上述對比例和實施例可知，本發明提供的方法通過改變織構化圖案形狀來改變噴涂涂層結合強度，其噴涂涂層結合強度能夠隨著織構圖案形狀的變化而變化，與現有的織構化提高涂層強度的方法相比較，優化了織構化圖案參數；本發明使用激光織構化方法通過控制激光過程的參數在基體表面得到了一定尺寸及密度的規則排列的織構化幾何圖案。其作為噴涂前處理過程，提高了涂層與基體的結合力，便于將其應用到工程實踐領域，以延長噴涂涂層的服役壽命。

本發明還提供一種基于織構形狀提高涂層結合強度的結構，包括基體、在所述基體上制備形成的至少一種圖案的織構化圖案，和在所述織構化圖案上噴涂形成的涂層；其中織構化圖案為六邊形、溝槽形和六邊形中的一種或幾種，所述基體為不銹鋼，所述涂層為nicrbsi陶瓷涂層。

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。