本發明涉及涂層材料技術領域，具體涉及一種基于正方形與溝槽形交替組合形成織構圖案來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。可見，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，提供一種基于正方形與溝槽形交替組合形成織構圖案來提高涂層結合強度的方法，作為噴涂前處理過程，通過研究織構形狀組合與結合強度之間的關系，從而調整和選擇織構圖案形式，以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正方形與溝槽形交替組合形成織構圖案來提高涂層結合強度的方法，作為噴涂前處理過程，通過研究織構形狀組合與結合強度之間的關系，從而調整和選擇織構圖案形式，以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正方形與溝槽形交替組合形成織構圖案以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正方形圖案的織構化加工；

2)參數調整：根據步驟1)中形成的織構化圖案調整噴涂工藝參數和織構化圖案參數，以得到具有預設邊長的正方形和具有預設寬度的溝槽形交替組合形成的織構化圖案，所述織構化圖案的織構步驟為：首先織構至少三列溝槽形圖案，相鄰兩列溝槽形圖案之間預留預設距離，且該預設距離大于預織構正方形的邊長，而后在相鄰兩列溝槽形圖案之間織構正方形圖案；

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)中所制備的織構化圖案中，其相鄰正方形與溝槽形之間的間距為65微米，正方形的邊長為以下至少一種：20微米、35微米、55微米或70微米，溝槽形的寬度為以下至少一種：15微米、25微米、40微米、60微米。

進一步地，在步驟1)中，所用基體為fv520b。

進一步地，步驟2)中所述噴涂工藝參數為：激光功率15w，掃描速度900mm/s，加工次數為2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正方形與溝槽形交替組合形成織構圖案以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織構化圖案，和在所述織構化圖案上噴涂形成的涂層；所述織構化圖案包括多列正方形圖案和多列溝槽形圖案，所述正方形圖案與所述溝槽形圖案交替分布，相鄰兩列正方形圖案之間設置有一列溝槽形圖案。

優選地，所述織構化圖案中相鄰正方形與溝槽形之間的間距為65微米，正方形的邊長為以下至少一種：20微米、35微米、55微米或70微米，溝槽形的寬度為以下至少一種：15微米、25微米、40微米或60微米。

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的結合方式來改變噴涂涂層結合強度，當織構化圖案為正方形、溝槽形和正方形與溝槽形的交替組合三種不同形式下，其噴涂涂層結合強度隨圖案組合形式的不同而不同，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，在材料表面預置正方形和溝槽形交替組合形成的織構化圖案，與單一正方形織構化圖案及單一溝槽形織構化圖案相比較，組合圖案能夠克服單一圖案在某一方向的應力集中和結合薄弱點一致的問題，即在單一正方形織構化圖案中，每一個正方形的薄弱點是位置相同或相近的，就導致整體上某一方向特別容易開裂，而組合圖案中，正方形織構圖案與溝槽形織構化圖案之間的薄弱點是不同的，兩者組合織構在一起能夠實現互補，從而提高整體的結合強度，通過改變傳統織構化圖案類型單一的特征，探索出正方形與溝槽形織構圖案相結合以提高噴涂涂層強度的機理，并進一步探索出能有效提高涂層結合強度的較優的織構化圖案參數，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為單一圖案和組合圖案對結合強度的影響測試結果圖；

圖2為不同尺寸規格下組合圖案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正方形與溝槽形交替組合形成織構圖案以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正方形和溝槽形組合圖案的織構化加工；

s13參數調整：根據步驟s12中形成的織構化圖案調整噴涂工藝參數和織構化圖案參數，以得到正方形和溝槽形交替組合形成的織構化圖案，該織構化圖案中，相鄰正方形與溝槽形之間的間距為65微米，正方形的邊長20微米、溝槽形的寬度為15微米；具體地，該形狀參數下的織構化圖案，激光功率14w，掃描速度800mm/s，加工次數為2次；所述織構化圖案的織構步驟為：首先織構至少三列溝槽形圖案，相鄰兩列溝槽形圖案之間預留預設距離，且該預設距離大于預織構正方形的邊長，而后在相鄰兩列溝槽形圖案之間織構一列正方形圖案。

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正方形與溝槽形交替組合形成織構圖案以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和溝槽形組合圖案的織構化加工；

s23參數調整：根據步驟s22中形成的織構化圖案調整噴涂工藝參數和織構化圖案參數，以得到正方形和溝槽形交替組合形成的織構化圖案，該織構化圖案中，相鄰正方形與溝槽形之間的間距為65米，正方形的邊長35微米、溝槽形的寬度為25微米；具體地，該形狀參數下的織構化圖案，激光功率14w，掃描速度800mm/s，加工次數為2次；所述織構化圖案的織構步驟為：首先織構至少三列溝槽形圖案，相鄰兩列溝槽形圖案之間預留預設距離，且該預設距離大于預織構正方形的邊長，而后在相鄰兩列溝槽形圖案之間織構一列正方形圖案。

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正方形與溝槽形交替組合形成織構圖案以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正方形和溝槽形組合圖案的織構化加工；

s33參數調整：根據步驟s32中形成的織構化圖案調整噴涂工藝參數和織構化圖案參數，以得到正方形和溝槽形交替組合形成的織構化圖案，該織構化圖案中，相鄰正方形與溝槽形之間的間距為65微米，正方形的邊長55微米、溝槽形的寬度為40微米；具體地，該形狀參數下的織構化圖案，激光功率14w，掃描速度800mm/s，加工次數為2次；所述織構化圖案的織構步驟為：首先織構至少三列溝槽形圖案，相鄰兩列溝槽形圖案之間預留預設距離，且該預設距離大于預織構正方形的邊長，而后在相鄰兩列溝槽形圖案之間織構一列正方形圖案。

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。

實施例四

本發明提供了一種基于正方形與溝槽形交替組合形成織構圖案以提高涂層結合強度的方法，該方法具體包括以下步驟：

s41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；

s42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和溝槽形組合圖案的織構化加工；

s43參數調整：根據步驟s42中形成的織構化圖案調整噴涂工藝參數和織構化圖案參數，以得到正方形和溝槽形交替組合形成的織構化圖案，該織構化圖案中，相鄰正方形與溝槽形之間的間距為65微米，正方形的邊長70微米、溝槽形的寬度為60微米；具體地，該形狀參數下的織構化圖案，激光功率14w，掃描速度800mm/s，加工次數為2次；所述織構化圖案的織構步驟為：首先織構至少三列溝槽形圖案，相鄰兩列溝槽形圖案之間預留預設距離，且該預設距離大于預織構正方形的邊長，而后在相鄰兩列溝槽形圖案之間織構一列正方形圖案。

s44涂層噴涂：利用超音速等離子噴涂方法對步驟s42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。

s45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，具體為fv520b，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及組合織構圖案時不同圖案規格下，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各種尺寸規格的溝槽形與正方形交替組合形成的織構化圖案之間、以及這些組合圖案與單一溝槽形圖案、單一正方形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。

測試結果如圖1和圖2所示，圖1為組合圖案與單一溝槽形圖案、單一正方形圖案的結合強度對比曲線，圖2為同樣是溝槽形與正方形交替組合形成的織構化圖案下，不同圖案尺寸規格下涂層與基體的結合強度。組合形成的織構化圖案在不同的尺寸規格下的結合強度對照如下表所示：

表1組合形成的織構化圖案在不同的尺寸規格下的結合強度對照

當織構圖案為溝槽形和正方形交替組合形成的圖案時，正方形的邊長和溝槽形的寬度均會對結合強度造成影響，以上表取樣點為例，正方形的邊長在20微米、溝槽形的寬度在15微米時結合強度最低，為26mpa，邊長在70微米、溝槽形的寬度為60微米時結合強度最高，為56mpa，邊長在35微米、寬度為25微米時結合強度為32mpa，邊長在55微米、寬度為40微米時結合強度為48mpa；可見，邊長在20-70微米之間、寬度在15-60微米之間時，結合強度隨邊長及寬度的增加而增大。

相比于單一織構圖案，交替組合織構的圖案具有更高的結合強度，單一正方形織構圖案、單一溝槽形織構圖案以及由溝槽形和正方形交替組合形成的織構化圖案在同等尺寸規格下的結合強度對照如下表所示：

表2單一圖案和組合圖案在同等尺寸規格下的結合強度對照

本發明提供的方法通過改變織構化圖案的結合方式來改變噴涂涂層結合強度，當織構化圖案為正方形、溝槽形和正方形與溝槽形的交替組合三種不同形式下，其噴涂涂層結合強度隨圖案組合形式的不同而不同，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，在材料表面預置正方形和溝槽形交替組合形成的織構化圖案，與單一正方形織構化圖案及單一溝槽形織構化圖案相比較，組合圖案能夠克服單一圖案在某一方向的應力集中和結合薄弱點一致的問題，即在單一正方形織構化圖案中，每一個正方形的薄弱點是位置相同或相近的，就導致整體上某一方向特別容易開裂，而組合圖案中，正方形織構圖案與溝槽形織構化圖案之間的薄弱點是不同的，兩者組合織構在一起能夠實現互補，從而提高整體的結合強度，通過改變傳統織構化圖案類型單一的特征，探索出正方形與溝槽形織構圖案相結合以提高噴涂涂層強度的機理，并進一步探索出能有效提高涂層結合強度的較優的織構化圖案參數，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正方形與溝槽形交替組合形成織構圖案以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織構化圖案，和在所述織構化圖案上噴涂形成的涂層；所述織構化圖案包括多列正方形圖案和多列溝槽形圖案，所述正方形圖案與所述溝槽形圖案交替分布，相鄰兩列正方形圖案之間設置有一列溝槽形圖案；其中所述織構化圖案中相鄰正方形與溝槽形之間的間距為65微米，正方形的邊長為以下至少一種：20微米、35微米、55微米或70微米，溝槽形的寬度為以下至少一種：15微米、25微米、40微米、60微米，所述基體為不銹鋼，具體為fv520b，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。