等離子噴涂陶瓷涂層壽命的影響因素分析

摘要:介紹了引起等離子噴涂的種類以及涂層失效的因素，結合對涂層壽命的分析及預測的研究現狀與需要解決的問題，提出了其未來發展的方向。

關鍵詞:等離子噴涂 壽命 熱障涂層

0 引言

金屬鈦及其合金作為工程材料不過50多年的歷史，但其具有比強度高、密度小、耐蝕性好等優點，是航空、航天、國防、船舶、機械、化工、醫療等領域部門廣泛使用的高性能材料，并且對其的利用在呈高速增長的趨勢。而航空、航天、國防領域的特殊性，要求使用的材料必須具有極高的耐磨、耐熱及抗氧化性能。整體制作這些材料或成本很高或根本不可能，實際上也無此必要，而普通鈦合金存在摩擦系數高、耐磨性差、高溫高速摩擦易燃著火及抗氧化能力相對較差的缺點，嚴重影響了其結構的安全性和可靠性，極大限制了其在航空、航天等特殊領域的廣泛使用。而利用等離子噴涂工藝在鈦合金表面噴涂納米陶瓷涂層(具有高硬度、高耐磨性、耐腐蝕、耐高溫及超塑性等優點)的方法可以解決這些問題，極大的提高鈦合金的表面性能，具有顯著的經濟效益，因此在許多工業部門中獲得了越來越廣泛的應用。本文介紹涂層壽命的影響因素的研究情況。

1 影響涂層壽命主要因素

等離子噴涂是以等離子弧為熱源的熱噴涂。因此，近幾十年來，其技術進步和生產應用發展很快，己成為熱噴涂技術的最重要組成部分。目前，主要的等離子噴涂方法有:常規等離子噴涂、低壓等離子噴涂、三陰極等離子噴涂、三陽極等離子噴涂。涂層的基體材料根據實際需要主要有各種不同成分的鋼、不銹鋼和鈦及鈦合金，涂層類型根據實際需要、使用場合、基體材料噴涂工藝的不同有很多成分，主要有Al2O3涂層、ZrO2涂層、羥基磷灰石涂層、Ni-CrBSi涂層、Ni涂層、Cr2O3涂層、8wt%Y2O-ZrO2涂層、Al-Cu-Fe涂層、Cr3C2-NiCr涂層等等，除了這些現有的類型外，還有相當多的涂層類型會在未來的研究工作中被研發。

因為等離子噴涂的種類很多，加上涂層類型及其物性參數的不同，故影響涂層壽命的因素很多，主要有涂層間殘余應力、涂層的屈曲失效、涂層的接觸疲勞失效、熱震、涂層孔隙等等。因此，建立涂層壽命預測模型及涂層壽命的準確預測，是一個值得研究解決的難題。

2 等離子噴涂涂層壽命的研究情況

張紅松等認為由于等離子噴涂工藝自身的原因，涂層內部會存在孔隙，使涂層綜合力學性能下降，易造成涂層失效，因此研究等離子涂層孔隙是等離子涂層的關鍵問題之一。因為在噴涂過程中，熔融態的顆粒高速沉積在基體上而形成涂層，這就決定了涂層孔隙不可避免。孔隙可分為表面孔、封閉孔和穿透孔。孔隙成因有如下三種:①熔融粒子打在先前沉積粒子上面飛濺而導致的“遮蔽效應”(如圖1(a)所示);②相鄰層間粒子體積收縮及溶解的氣體不能及時溢出;③變形粒子的不完全重疊(如圖1(b)、(c)所示)。此外，基體粗糙的表面狀態也會導致孔隙的形成(如圖1(d)所示)。孔隙的存在主要對涂層彈性模量、涂層熱應力以及涂層熱物理性能產生影響從而引起涂層的失效。只要弄清孔隙對涂層在不同條件下的失效影響規律，就可以為優化等離子噴涂工藝，提高涂層質量及使用壽命提供理論和數據支持。

由于典型的等離子噴涂熱障涂層結構包括陶瓷層、氧化層、粘結層和金屬基體，李志華和徐艷虎認為陶瓷層剝落失效的一個主要因素應是由于分層后的陶瓷層在較大的面內殘余壓應力作用下發生了屈曲，為認識熱障涂層結構的失效機制進而預測熱障涂層結構的使用壽命，需要研究分層后陶瓷層屈曲的臨界條件及影響因素。由于陶瓷層分層的不規則性，他們按矩形和橢圓形分層這2種情況分別進行涂層屈曲的分析和討論，最后得到的結論是陶瓷層的屈曲臨界尺寸決定了熱障涂層結構的使用壽命。在給定的實驗或使用條件下，一旦界面分層達到屈曲所限定的臨界尺寸，陶瓷層就會發生剝落失效。因此，只要能夠設法確定界面分層裂紋的擴展速率或者規律，依據屈曲分析所確定的臨界尺寸就可以預測熱障涂層結構的使用壽命。

接觸疲勞失效是材料在循環接觸應力作用下，產生局部永久性累積損傷，經一定循環次數后，接觸表面發生麻點、淺層或深層剝落的過程。樸鐘宇等通過實驗和仿真的方法研究表征涂層接觸疲勞壽命。在疲勞試驗的基礎之上，采用Weibull概率曲線的方法對涂層的接觸疲勞壽命數據進行了表述，并預測了在同一應力水平和摩擦工況下涂層的接觸疲勞壽命。通過在試驗得到的壽命數據的基礎之上，使用極大似然估計法得到了Weibull分布的兩個參數，并在此基礎之上建立了Weibull概率曲線圖。通過概率曲線圖可以直觀地得到在同一應力水平和摩擦工況的任意循環次數下涂層的接觸疲勞失效概率。通過建立曲線圖方式表征了疲勞壽命。齊紅宇等針對航空發動機渦輪葉片的涂層利用所測試的材料參數和有限元方法進行了熱變形分析，提取了熱疲勞壽命控制參量，對模擬試樣的熱疲勞壽命進行了預測，結果顯示，預測結果較為精確。

3 結論

雖然近幾十年來等離子噴涂技術進步和生產應用發展得很快，但仍存在需要進一步研究和解決的問題:

3.1 影響涂層壽命的因素十分多，并且各因素間又可能相互存在一定的影響，如何判斷各因素最終對結合強度的影響程度，如何取舍各參數將是一個非常復雜、困難的工作，是一個必須解決的問題。

3.2 在建立模型，進行有限元分析中，如何量化參數也是一個關鍵問題。如熱膨脹系數的量化、涂層厚度的量化、噴涂功率的量化、速度和溫度的量化等。若參數范圍過大，分析結果將與實際差別較大，分析結果將沒有意義;若參數范圍過小，則會造成可能無法實現的極大工作量。因此如何將各參數的量化優化在合理的范圍內，也是必須解決的問題。

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基金項目:南京工程學院科研基金項目(KXJ08050)