提高噴塗層接觸疲勞壽命的方法

2023-04-24 15:47:26 2

專利名稱：：提高噴塗層接觸疲勞壽命的方法
技術領域：
：本發明涉及一種提高塗層解除疲勞壽命的方法，具體地說是將正交實驗和打底塗層相結合的方式提高噴塗層的接觸疲勞壽命的方法。
背景技術：
：隨著社會的進步，許多裝備零件被應用於高溫、高速、高腐蝕的環境中，加速了零件由於表面失效而報廢。如果發生表面失效就更換零件，必定會大大提高加工成本，浪費廢舊零件的剩餘價值。在廢舊零件的表面製備再製造塗層是解決此類問題的有效手段，通過熱噴塗等技術在廢舊零件表面製備硬質塗層，不但可以最大程度利用廢舊零件，還可以通過合理設計塗層使再製造後的零件應用更為苛刻的工況環境。因此，熱噴塗在耐高溫、耐腐蝕和耐磨領域都得到了廣泛的發展，成為了裝備再製造重要技術手段。接觸疲勞又稱表面疲勞磨損，是零件的接觸表面在接觸應力的反覆長期作用後引起的一種表面材料去除的損傷現象。對於鐵路的鋼軌、軋機的軋輥和很多傳動裝置中的重要零部件，如齒輪、軸承等，接觸疲勞是它們主要的失效原因。而接觸疲勞裂紋往往又是在表面或此表面開始萌生的，所以採用熱噴塗在零件表面製備噴塗層是提高接觸疲勞壽命的有效方法。但是由於熱噴塗過程的限制，噴塗層的孔隙、微裂紋等缺陷限制了其在累積疲勞損傷條件下的服役性能。現有技術中等離子噴塗鐵基自熔劑合金塗層與基體的結合方式只是依靠熔融顆粒的速度衝擊經過噴砂處理的粗糙表面而形成的機械嵌合，結合強度不高，界面有大量的裂紋如圖6所示。由於結合強度低和界面裂紋的存在，塗層在較大接觸應力的作用下在服役的前期就容易由於整層剝落而發生失效，極大地影響了塗層的接觸疲勞壽
發明內容本發明的目的在於提出一種可以有效提高噴塗層接觸疲勞壽命的方法。本發明的發明思路為本發明採用等離子噴塗打底塗層和工作塗層，等離子噴塗技術具有焰流溫度高，粒子速度快，沉積效果好等優勢。鐵基自熔劑合金粉末可以在噴塗過程中自行脫氧，不但消除氧化物對塗層的不利影響，還可以產生多種硬質化合物顯著提高塗層的硬度，在常溫至中溫的環境中具有良好的耐磨性能。本發明將現代應用數學的理論思想應用於塗層的優化中，採用正交實驗設計對噴塗參數進行合理優化，製備出綜合性能優異的塗層。正交實驗設計是一種用於多因素實驗的部分因子設計方法，具有很高的效率，其主要是提取出對於實驗結果影響最大的幾個典型的因素，並針對每個因素設定幾個水平，通過設計正交實驗表進行次數較少的正交實驗，考察這些典型因素對實驗結果的影響程度，並尋找最佳的因素組合，其避免了全面的實驗所帶來的繁瑣和浪費，達到事半功倍的效果。本發明採用先使用等離子噴塗製備Ni/Al粘結底層，再噴塗工作層的方法來提高結合強度，由於Ni和Al在熔融態發生強烈的化學反應，能夠放出大量的熱，並且這种放熱反應持續的時間較顆粒從噴嘴到基體表面所用的時間長，所以當Ni/Al熔融顆粒到達基體表面時仍然有放熱反應，放出的大量的熱使基體表面熔化產生局部的重熔，形成微冶金結合，極大的提高了塗層的結合強度。為了實現本發明的發明目的，本發明所採用的具體技術方案如下—種提高噴塗層接觸疲勞壽命的方法，其特徵在於，其具體步驟為(1)工作塗層噴塗參數的優化利用正交實驗計算工作塗層的噴塗參數；(2)製備Ni/Al粘結底層；(3)利用等離子噴塗技術噴塗工作塗層。上述的一種提高噴塗層接觸疲勞壽命的方法，其中所述步驟(1)正交實驗計算工作塗層的噴塗參數為提取三個典型因素，分別為噴塗電壓、噴塗電流和噴塗距離；針對每個因素設定參數水平，通過參數水平設計正交實驗表，固定了主氣流量、送粉量和塗層厚度因素；採用塗層的硬度和孔隙率作為性能評價的判據，採用極差法對測得的硬度值和孔隙率值進行分析，分別得到了獲得最高硬度和最低孔隙率的參數組合，採用綜合評分的方法分析塗層的綜合性能；採用極差法對綜合評分進行分析，最終得到了製備工作塗層噴塗參數組合。上述的一種提高噴塗層接觸疲勞壽命的方法，其中所述性能評價的判據的硬度是使用顯微硬度計測量的，孔隙率是採用孔隙率測試軟體計算的，此軟體為中國人民解放軍裝甲兵工程學院裝備再製造國防科技重點實驗室自主開發的精確測定塗層孔隙率的圖像處理軟體。本領域技術人員可以通過購買得到。上述的一種提高噴塗層接觸疲勞壽命的方法，其中，所述步驟(2)製備Ni/Al粘結底層是通過等離子噴塗技術噴塗的。本發明的優點與效益採用正交設計這一現代應用數學方法對噴塗參數進行優化，根據噴塗材料性質的不同，得到最佳的參數組合。應用於各種塗層材料的熱噴塗參數優化。提出了新的工藝方法，通過優化工作層和製備打底層，得到了較高的硬度和較低的孔隙率，綜合性能好，結合強度高的塗層。通過實驗對比，這種新工藝方法可以顯著地提高塗層的接觸疲勞壽命。圖1為1、3、5號試樣的顯微硬度值；圖2為4、5、6號試樣孔隙率分析示意圖；圖3為綜合性能最佳塗層的顯微硬度值；圖4為綜合性能最佳塗層的孔隙率分析示意圖；圖5為鐵基合金與基體的界面存在大量裂紋；圖6為有底層的塗層界面形貌；圖7為兩種塗層的Weibull分布失效概率曲線圖。具體實施例方式本具體實施方式採用等離子噴塗鐵基自熔劑合金塗層作為實驗塗層。實施例1應用本發明方法製備鐵基自熔劑合金塗層具體製備步驟1、工作塗層噴塗參數的優化利用正交實驗計算工作塗層的噴塗參數。在實施例中，在等離子噴塗中對塗層性能影響最大的三參數，即噴塗距離、噴塗電壓、噴塗電流被提取出來，根據HEPjet超音速等離子噴塗設備的功率及平均熱效率和噴塗材料的熔點確定的參數水平，如正交實驗表l所示，固定了主氣流量、送粉量和塗層厚度因素。在等離子噴塗中，這三個參數是可以確定的，但是對於其他噴塗技術而言，可以根據使用設備的特點自行選擇對於塗層質量影響較大的三個參數，並根據其參數進行正交設計。正交設計的方法為統計學公知的方法，在此不一一贅述。表1等離子噴塗正交實驗表tableseeoriginaldocumentpage5採用塗層的硬度和孔隙作為性能評價的判據，其中使用顯微硬度計測量塗層的硬度，採用精確測定塗層孔隙率的圖像處理軟體(中國人民解放軍裝甲兵工程學院裝備再製造技術國防科技重點實驗室研發)計算塗層的孔隙率。採用極差法對測得的硬度值和孔隙率值進行分析，極差法為公知計算方法，本實施例中以對硬度值的分析為例，分別計算噴塗距離、噴塗電流、噴塗電壓各個水平三次實驗的總硬度值。首先分別計算噴塗距離每個水平三次實驗的硬度和，如距離為100mm時，測得的硬度值分別是437、557和878見表2第5列，其和為1872，同樣計算其他兩個水平下的三次實驗硬度分別為2246和1967，得到的三個數據中，最大值與最小值的差即為極差，即R=2246-1872=374見表2第2列。並且這三硬度和中，數值最大的意味著這個水平下，塗層的硬度最好，所以在噴塗距離為110mm時，塗層硬度最大，即A2(A參數的第2個水平)，見表2第5列。然後分別計算噴塗電流和噴塗電壓對硬度影響的極差值，比較得到了三個極差值，其中極差值大對硬度影響就大，由此得到了影響的主次順序A(噴塗距離)C(噴塗電流)B(噴塗電壓)，同時也得到了可獲得最大硬度的參數組合，即A2B3C3。以相同方法分析孔隙率，需注意的是硬度越大對塗層越好，反之孔隙率越低對塗層越好，因此在獲得最大參數合作時，需選擇孔隙率之和較小的水平。但分析極差值時仍同上述。由此可以得到分別得到了獲得最高硬度和最低孔隙率的參數組合如表2所示。表2正交實驗結果分析tableseeoriginaldocumentpage6結果顯示，通過合理的改善噴塗參數，可以使硬度值增大100.9%，孔隙率值降低65.8%。部分有代表性的試樣的硬度和孔隙率分析如圖1、2所示。圖1中1號試樣硬度最低，3號試樣硬度最高，5號試樣硬度適中。圖2中4號試樣孔隙率最低，5號試樣孔隙率最高，6號試樣孔隙率適中。採用綜合評分的方法分析塗層的綜合性能，綜合加權評分的公式如下Yi=aiJu+ai2yi2+…+aijyij其中aij為係數，yij為實驗指標，下表i、j表示第i組實驗的第j個指標。各個實驗指標的變化範圍為&(即最大值與最小值的差)得K丄=878-437=441K2=4.24-1.45=2.79令綜合評分為100分，其中硬度和孔隙率滿分均為50，則可得係數為ail=50/&=0.113ai2=-50/K2=-17.921(孔隙率越大則塗層的質量越不好，所以此係數為負值。)由上式分別計算各組實驗的綜合性能評分Yi:=anXyil+a12Xy12=0.113X437-17.921X3.75=-17.823Y2=a21Xy2i+a22Xy22=0.113X557--17.921X1.62=33.909Y3=a31Xy3i+a32Xy32=0.113X878--17.921X2.17=60.325Y4=a41Xy4t+a42Xy42=0.113X810--17.921X1.45=65.545Y5=a51Xy5i+a52Xy52=0.113X671--17.921X4.24=-0.162Y6=a61Xy6i+a62Xy62=0.113X765--17.921X3.29=27.485Y7=a71Xy7i+a72Xy72=0.113X691--17.921X2.81=27.725Y8=a81Xy8i+a82Xy82=0.113X666--17.921X3.64=10.026Y9=a91Xy9i+a92Xy92=0.113X610--17.921X3.57=4.952採用極差法對綜合評分進行分析通過上式分別得到了9次正交實驗的綜合評分，採用和分析硬度相同的方法分析即可，不再贅述。最終得到了製備綜合性能最佳的鐵基自熔劑合金塗層的等離子噴塗參數組合，即噴塗距離110mm、噴塗電流380A、噴塗電流150V(如表2所示)。採用追加實驗對正交實驗的結果進行實驗驗證。採用正交優化的參數製備了塗層，並對塗層硬度、孔隙率和綜合評分進行分析，結果表明塗層的平均硬度為860，孔隙率為1.59%，則綜合評分為Yz=azlXyzl+az2Xyz2=0.113X860—17.921X1.59=68.686實驗證明正交優化的塗層具有較高硬度，如圖3所示；和較低的孔隙率，如圖4所示；以及最高的綜合評分，正交實驗的結果十分理想。較大的硬度對於疲勞裂紋的萌生和擴展起到了抑制作用，較少的孔隙使得裂紋萌生的機率和擴展的速度減小。這種採用現代應用數學方法優化噴塗參數和塗層性能的思想同樣可以應用於其他的熱噴塗方式中，具有普遍適用性。2、製備Ni/Al粘結底層(Ni/Al噴塗原料廠家先導(益陽)等離子粉末有限公司，牌號PR-4111)等離子噴塗鐵基自熔劑合金塗層與基體的結合方式只是依靠熔融顆粒的速度衝擊經過噴砂處理的粗糙表面而形成的機械嵌合，結合強度不高，界面有大量的裂紋如圖5所示。由於結合強度低和界面裂紋的存在，塗層在較大接觸應力的作用下在服役的前期就容易由於整層剝落而發生失效，極大地影響了塗層的接觸疲勞壽命。本實施例首先使用等離子噴塗在基體上製備Ni/Al粘結底層，然後再噴塗工作塗層的方法來提高結合強度，由於Ni和Al在熔融態發生強烈的化學反應，能夠放出大量的熱，並且這种放熱反應持續的時間較顆粒從噴嘴到基體表面所用的時間長，所以當Ni/Al熔融顆粒到達基體表面時仍然有放熱反應，放出的大量的熱使基體表面熔化產生局部的重熔，形成微冶金結合，極大的提高了塗層的結合強度如圖6所示，Ni/Al塗層的噴塗參數如表3所示。表3Ni/Al塗層的噴塗參數tableseeoriginaldocumentpage83、利用等離子噴塗技術噴塗工作塗層。所用噴塗設備為再製造國防科技重點實驗室自主研發的高效能超音速等離子噴塗設備，本領域技術人員可通過購買得到；通過步驟1正交實驗確定的噴塗工作塗層的參數見表4。tableseeoriginaldocumentpage8實施例2本發明實施例1製備的塗層與現有技術製備塗層接觸疲勞性能的評價為了考察採用本此提出的新工藝方法製備塗層(實施例1製備的)接觸疲勞性能，對採用新工藝方法製備的塗層和直接製備的塗層(未製備粘結底層和使用正交計算優化，噴塗參數見表5)表5tableseeoriginaldocumentpage9在實驗狀態(應力水平和摩擦條件)完全相同的條件下各進行了10組接觸疲勞實驗，實驗方法將塗層噴塗在預製的基體上，採用接觸疲勞試驗機進行接觸疲勞實驗，所採用的實驗設備為燕山大學自主研發的YS-1型球盤接觸疲勞試驗機；本領域技術人員公知的球盤接觸疲勞試驗機也可。並採用兩參數Weibull曲線描述兩種塗層的接觸疲勞性能如圖8所示。由圖7可知在相同的循環次數下，新工藝方法製備的塗層的失效概率明顯低於原工藝製備的塗層，且新工藝方法製備的塗層的L1Q(最小壽命)、L5。(名義壽命)和La(特徵壽命)要大於無粘結底層的塗層。並且新工藝方法製備的塗層的Weibull曲線斜率較大，這說明塗層的疲勞數據分散程度較小，塗層的接觸疲勞壽命易於評估。由此可見，本發明新工藝方法顯著提高了噴塗層的接觸疲勞性能。實施例3本發明實施例1製備的塗層與現有技術製備塗層接觸疲勞性能的評價用本發明實施例1製備的塗層和直接製備的塗層與僅應用噴塗打底層無正交優化的塗層三者相對比。本實施例所述的直接製備的塗層噴塗參數同實施例2見表5。噴塗打底層的塗層，打底層的噴塗參數見表3。塗層接觸疲勞性能實驗方法和設備與實施2相同。採用兩參數Weibull失效概率曲線圖對三種塗層的疲勞壽命進行了表徵。由圖可知，在相同的應力水平和摩擦條件下，在任意循環次數下，打底層的塗層的失效概率要明顯低於無底塗層，可見，粘結底層有助於提高塗層的接觸疲勞壽命。而在任意循環次數下，採用本次發明方法製備的塗層的失效概率最低，這說明優化工作層和粘結底層的工藝方法可以顯著的提高塗層的接觸疲勞壽命。權利要求一種提高噴塗層接觸疲勞壽命的方法，其特徵在於，其具體步驟為(1)工作塗層噴塗參數的優化利用正交實驗計算工作塗層的噴塗參數；(2)製備Ni/Al粘結底層；(3)利用等離子噴塗技術噴塗工作塗層。2.根據權利要求1所述的一種提高噴塗層接觸疲勞壽命的方法，其特徵在於，所述步驟(1)正交實驗計算工作塗層的噴塗參數為提取三個典型因素，針對每個因素設定參數水平，通過參數水平設計正交實驗表，固定了主氣流量、送粉量和塗層厚度因素；採用塗層的硬度和孔隙率作為性能評價的判據，採用極差法對測得的硬度值和孔隙率值進行分析，分別得到了獲得最高硬度和最低孔隙率的參數組合，採用綜合評分的方法分析塗層的綜合性能；採用極差法對綜合評分進行分析，最終得到了工作塗層的噴塗參數。3.根據權利要求2所述的一種提高噴塗層接觸疲勞壽命的方法，其特徵在於，所述性能評價的判據的硬度是使用顯微硬度計測量的，孔隙率是採用孔隙率測試軟體計算的。4.根據權利要求2所述的一種提高噴塗層接觸疲勞壽命的方法，其特徵在於，所述的三個典型因素為噴塗電壓、噴塗電流和噴塗距離。5.根據權利要求1所述的一種提高噴塗層接觸疲勞壽命的方法，其特徵在於，所述步驟(2)製備Ni/Al粘結底層是通過等離子噴塗技術噴塗的。全文摘要本發明公開了一種提高噴塗層接觸疲勞壽命的方法，其特徵在於，其具體步驟為(1)工作塗層噴塗參數的優化利用正交實驗計算工作塗層的噴塗參數；(2)製備Ni/Al粘結底層；(3)利用等離子噴塗技術噴塗工作塗層。採用正交設計這一現代應用數學方法對噴塗參數進行優化，根據噴塗材料性質的不同，得到最佳的參數組合。應用於各種塗層材料的熱噴塗參數優化。提出了新的工藝方法，通過優化工作層和製備打底層，得到了較高的硬度和較低的孔隙率，綜合性能好，結合強度高的塗層。通過實驗對比，這種新工藝方法可以顯著地提高塗層的接觸疲勞壽命。文檔編號G06F17/50GK101713059SQ200810223548公開日2010年5月26日申請日期2008年10月7日優先權日2008年10月7日發明者徐濱士,樸鍾宇,濮春歡,王國普,王海鬥申請人:中國人民解放軍裝甲兵工程學院