梯度结构对氧化铝陶瓷涂层结合强度及抗冲击性能影响的试验研究_程西云
基体偏压对CrTiAlN镀层摩擦磨损性能的影响
基体偏压对 Cr Ti Al N 镀层摩擦磨损性能的影响严少平1 ,2 , 孙雅琴1 冰2 张桂梅1 , 蒋百灵2, 段 , ( 1 . 安徽理工大学 数理系 ,安徽 淮南 232001 ; 2 . 西安理工大学 材料科学与工程学院 ,陕西 西安 710048)摘 要 :应用闭合场非平衡磁 控溅射离子镀技术在高速 钢和单晶硅基体上制备 了 一 组 随 基 体 偏 压 变 化 的Cr TiAlN 梯度镀层 ,并测试了其摩擦学性能 。
结果表明 ,随偏压的增大 ,镀层的厚度 、硬度 、膜基结合强度和耐磨性能表现出先升后降 、摩擦系数较低 、具有良好的韧性 ;在 - 75 V 左右偏压下沉积的镀层具有最佳的综合 性能 。
通过 XRD 、SEM 的分析表明 ,由 Cr N 、TiN 、AlN 、Cr 和 Ti 2 N 等微晶组成的复合镀层 ,晶粒细小 ,属于纳 米级颗粒 ,从而使镀层具有良好的摩擦学性能 。
关键词 :非平衡磁控溅射离子镀技术 ; 基体偏压 ; 显微硬度 ; 摩擦磨损性能 中图分类号 : T H1171 3文献标识码 : A文章编号 :100325060 (2007) 0820966205Inf l u ence of substrate bia s vol tage on f r ict i on an d w ear propert i es of C r T i A l N coat i ngsY A N Shao 2pi n g1 ,2, SU N Y a 2qi n g 1 , D U A N Bi n g 2 , Z H A N G G ui 2mei 1 , J IA N G Bai 2li n g 2( 1 . Dep t . of Mat he m ati cs a nd Physics , A n hui U ni ver s it y of Science a nd Technolo gy , Huai nan 232001 , Chi na ; 2 . School of Mat e rial s Sci 2ence a nd Engi neeri ng , X i ’a n U ni v er sit y of Technolo gy , X i ’a n 710048 , Chi na )Abstract :A se r ie s of Cr TiA l N ha r d gra d ie n t coati n gs we r e p r o d uced u s i n g t h e clo s e d fiel d un b ala n ce d ma g net ro n sp u t t e r io n p l ati n g t e ch n ique o n M2 hi g h sp e ed st e el a n d Si s ub s t r at e s wit h sub s t r at e bia s volt a g e cha n gi n g , a n d t h e f r ictio n a n d wea r p r op e r t ie s were st u died . The t e s t re s ult s of co a ti n g p e r 2 fo r ma n ce s ho w t h at t h e t h ick n e s s , mic ro 2ha r d ne s s , a d he s io n a n d wea r re s i s t a n ce of t h e coati n g i n 2 crea s e fi r s t l y a n d t h e n f a ll alo n g wit h t h e ri s e of t h e a b s ol u t e val u e of mi n u s bia s volt a g e ,a n d t h at t h e ha r d gra d ie n t coati n g ha s e x celle n t to u gh n e s s a n d lo w f r ictio n co e ff icie n t . The t e s t re s ult s al s o sho w t h at t h e coati n gs depo s it e d at - 75 V have f a v o r a b le co mp r e h e n s ive p e r fo r ma n ce . The co m po s itio n a n d st r u ct u re of t h e coati n gs we r e st u die d u s i n g XRD a n d S EM . A n al y si s re s ult s i n dicat e t h at t h e mai n p a r t of t h e coati n g wa s fo r med a s a na n o 2scale multila y e r . The grai n s i n t h e Cr A l TiN coati n gs i n cl u deCr N , TiN , A l N , Cr a n d Ti 2 N micro 2cr y st a l grai n s t h e size of w h ic h belo n g s to na n o 2scale ,t h u s ma k 2 i n g t h e Cr TiA l N ha r d gra d ie n t coati n g have e x celle n t t ri b olo g ical p e rfo r ma n ce .K ey w ords :un b ala n ce d ma g net r o n sp u t t e r io n p l ati n g t e ch n ique ; sub s t r at e bia s volt a g e ; mic ro 2ha r d 2 ne s s ; f r ictio n a n d wea r p rop e r t ie s模具和各种耐磨零件及装饰镀层上[ 2 , 3 ] 。
物理气相沉积TiAlN涂层
物理气相沉积TiAlN涂层的研究进展*曹华伟张程煜乔生儒曹晓雨（西北工业大学超高温结构复合材料国防科技重点实验室，西安710072）摘要：本文概述了物理气相沉积TiAlN涂层的研究现状及发展趋势，详细分析了制备方法、Al元素含量、N2流量、基体偏压、温度以及其他元素对TiAlN涂层的结构、硬度、高温抗氧化性和耐腐蚀性等性能的影响。
目前制备的TiAlN涂层存在残余应力较大，表面液滴数量较多和涂层致密度差等问题。
为进一步促进TiAlN涂层的应用，今后还需探索该涂层的制备方法，优化其制备工艺。
多元纳米复合涂层和超点阵多层涂层是两个具有潜力的发展方向。
关键词：TiAlN涂层制备方法晶体结构硬度高温抗氧化性综述Recent progresses in physical vapor deposited TiAlN coating CAO Huawei ZHANG Chengyu QIAO Shenru CAO Xiaoyu(National Key Laboratory of Thermostructure Composite Materials, Northwestern PolytechnicalUniversity, Xi′an 710072, China)Abstract: The research and development of physical vapor deposited TiAlN coatings are summarized in the paper. The preparation methods, aluminum content, nitrogen flow rate, substrate bias, temperature and alloying elements had significant effects on the properties of TiAlN coatings, including crystal structure, hardness, high temperature oxidation resistance and corrosion resistance. Although the coating was used in many applications, there were many drawbacks which limit its performance, such as high residual stress, formation of large droplets and poor density. For further application, new preparation method should be explored. Meanwhile, the optimization of the processing technology should be made. It is potential to develop multiple nano-composite coating and superlattice multi-layer coating in the future.Key words: TiAlN coatings, preparation methods, crystal structure, hardness, high temperature oxidation resistance, review0前言*国家自然科学基金面上项目(50702045)；高等学校博士学科点专项科研基金(20070699007)和新世纪优秀人才支持计划(NCET-08-0460)第一作者：曹华伟(1986~)，河南周口，男，西北工业大学超高温结构复合材料实验室研究生、主要研究多弧离子镀TiAlN涂层的结构与性能。
氧化铝陶瓷多粒子冲蚀磨损的数值模拟
氧化铝陶瓷多粒子冲蚀磨损的数值模拟∗胡彪;纪秀林;段慧;丁伟【摘要】采用LS⁃DYNA有限元分析软件建立多粒子冲蚀氧化铝陶瓷的有限元模型，运用LS⁃DYNA求解器对冲蚀过程进行仿真，通过观察靶材等效应力的分布分析冲蚀机制。
结果表明：靶材体积磨损率随着冲蚀角度的增大而增大，在冲蚀角度达到90°时，体积磨损率达到最大值，表现出典型的脆性材料的冲蚀特性；靶材的体积磨损率随着冲蚀速度的增大而增大，且具有良好的线性增长关系；靶材的体积磨损率整体上随着冲击粒子粒径的增大而增大，但在达到临界尺寸的一段时间内会随着粒径的增大而减小；靶材会吸收粒子的一部分动能转化为自己的内能，但随着粒子冲击结束而离开靶材表面，靶材表面形成微裂纹以及部分单元失效，因此靶材的能量随着单元的失效而减小。
%LS⁃DYNA was used to establish the finite element model of multi particles impacting on alumina ceramics, and the erosion process was simulated by using LS⁃DYNA solver� The erosion mechanism was analyzed by observing the distribution of Von Mises stress of the target� The results show that volume loss rate of the target is increased with increas⁃ing the impact angle, and volume loss rate reaches the maximum value at the impact angle of 90°, which exhibits erosio n characteristics of typical brittle materials� Volume loss rate of the target is increased with increasing the impact velocity, and they have good linear growth relationship� Volume loss rate of the target is increased with increasing the impact parti⁃cle size as a whole, but it is decreased within a period of time when the impact particle size reaches a critical size� The target absorbs part of the particles kinetic energy and transforms it intointernal energy, and when the particles leave the target surface,micro⁃crack and some elements failure are formed on the target surface, therefore, the target total energy is decreased with the failure of the elements.【期刊名称】《润滑与密封》【年(卷),期】2015(000)004【总页数】5页(P49-53)【关键词】冲蚀磨损;氧化铝陶瓷;脆性材料;多粒子;冲蚀机制【作者】胡彪;纪秀林;段慧;丁伟【作者单位】河海大学常州校区机电工程学院江苏常州213022;河海大学常州校区机电工程学院江苏常州213022;河海大学常州校区机电工程学院江苏常州213022;河海大学常州校区机电工程学院江苏常州213022【正文语种】中文【中图分类】TH117.1冲蚀磨损是固体颗粒随着高速流体对材料表面冲击造成的材料损坏，是一个动态的失效过程[1]。
热喷涂氧化铝陶瓷涂层失效分析及对策
率 高、 清 洁环保 等优 点 。本 文对驱 动摩 擦 焊在卷 绕 头长套 生 产 中的 实际应 用作 了具体 的 阐述 。 关 键词
１ 概 述
卷 绕头 是化纤 长 丝装 备 中的关键 设备 。长套是 卷绕 头 的关键 零 件 ， 它 起 到 传 递 动力 和 速 度 给 丝饼 的作 用 。 中丽 公 司生产 的卷绕 头长套 （ 图１ 所示） 的
１ 介 质 腐 蚀
基体腐蚀 ， 是 热喷涂工件涂层失效的最 常见形式 。 由于在 热喷涂 过 程 中一 部分 熔融 状态 和雾 状 的
微粒 与卷 入 的空 气 发生 氧化 ， 这 些 氧 化 物 随 即堆 积
熔点 、 高化学稳定性 、 摩擦系数小等特点。而热喷涂 陶瓷涂层技术因其沉积效率高， 加工场地 限制小 ， 喷
变形 能力 差 ， 对应 力集 中和裂 纹敏 感 。本 文通 过 对 氧化 铝 涂 层 常 见 失效 形 式进 行 分 析 ，并 提 出对
策， 以期提高工件使用寿命 、 减 少生产成本。
关键 词 热喷涂 氧 化铝 陶 瓷涂层 涂 层 失效
热 喷涂 技术 是采 用某 种 高温 热 源 ， 将 欲涂 覆 的 材料 熔化 （ 软化） 后， 利 用 高 速 射流 使 之 雾 化 成微 细 液滴 或高 温颗 粒 ， 喷 射 到 经 过 预处 理 表 面 形 离子 键或 共 价 键结 构 ， 键能高 ， 原 子结 合 力 强 ， 赋 予 了 陶瓷 涂 层 高
图Ｉ
成 本起 到有 益 的作用 。
工件 在服 役时 ， 由于环境 因素 的影 响 ， 腐 蚀性 液
５ ． ６ 为 了 盛 液 管 在 冲孔 加 工 过 程 中方 便 插 入 、 抽
出， 在 凹模座结合件 、 模座结合件 的盛液管插入端设
氧化钛对氧化铝瓷的莫来石形成和力学性能的影响
铝 瓷 中二 次 莫 来 石 形 成 的影 响 。本 研 究 描 述 了含
不 同 量 ＴＯ 的 氧 化 铝 瓷 的 制 备 和 显 微 结 构 特 征 。 ｉ：
系 中控 制 不 同 晶相 的析 晶 。然 而 迄 今 为止 ，还 没 有 关 于 ＴＯ 对 氧化 铝 瓷 的 显微 结 构 和 力 学性 能 影 ｉ 响 的详 细报 道 。
莫 来石 和 玻 璃 基 质 中 的残 余 石 英 构 成 。基 于 以前
研究 报 告 可 以设 想 出 。通 过 增 加 刚玉 相 和 降低 石 英含 量来 改进 用 于高 压绝 缘体 的氧化 铝瓷 。 莫 来 石 是 Ａ ２ ３ＳＯ 系 唯 一 存 在 的 稳 定 相 。 １ 一 ｉ： Ｏ 纯莫来 石 是一个 具 有 Ａ：【 ｌ ｉ ｌ Ａ Ｏ。 成 分 的固 Ｏ － ｘ 溶 体 ，此 时 ０１ ≤ｘ ．。热 力 学 上 稳 定 莫 来 石 ．７ ≤０５ 的 两 端 组 成 分 别 是 ３ １ ３ ２ ｉ ｆ ＝ ．５ 和 Ａ ２ ・ＳＯ ０２ ） ０ Ｘ ２ １ ３ＳＯ ｘ ０４ ） Ａ ・ｉ （＝ ．０ ，也 即是 ３２和 ２１莫 来 石 。 Ｏ ： ：
类 型 。 由形 态 和 成 分 区 分 这 些莫 来 石 ，即存 在 所 谓 的一次 莫 来 石 （ 自黏 土成 分 残 余 物 ） 和二 次 源
莫来 石 （ 自长 石 熔融 物 的结 晶 ） 来 。偏 高岭 土产 生
第 ２个 目的是 氧化 钛加 入 量 对 氧 化 铝 瓷 抗 折 强 度 的作 用 ，建 立 了力 学 强 度 和 二 次 莫 来 石 特 征 之 间
有 两 种 主要 性 能 ：力 学 强 度 高 和 介 电损 失 低 。人
SiC_PAl功能梯度装甲板抗侵彻性能的试验与数值模拟
复合材料学报第24卷 第5期 10月 2007年A ct a M ateri ae C om p o sit ae Sini c aVol 124No 15October2007文章编号:100023851(2007)0520006207收稿日期:2006211213;收修改稿日期:2007203202基金项目:国防基础科研基金项目(A2720060277)通讯作者:李玉龙,教授,博士生导师,长江学者,研究方向:冲击动力学,复合材料力学 E 2mail :liyulong @SiC P /A l 功能梯度装甲板抗侵彻性能的试验与数值模拟虞青俊,李玉龙3,邓 琼,汤忠斌,徐 绯(西北工业大学航空学院,西安710072)摘 要: 采用粉末冶金方法制备碳化硅陶瓷颗粒(SiC P )增强金属铝基复合材料板(MMCs ),并采用热压扩散法制备功能梯度装甲板(F GM )。
利用高速冲击空气炮系统,对纯铝靶板和两种不同铺层结构的功能梯度装甲靶板进行侵彻试验,并利用L S 2D YNA 软件对侵彻试验过程进行数值模拟分析,同时考察等厚、等面密度下SiC 颗粒分布对抗侵彻性能的影响。
研究结果表明,功能梯度板的抗侵彻性能比纯铝板好,而两种不同铺层结构功能梯度板的抗侵彻性能相差不大。
数值计算结果与现有试验结果取得了较好的一致,说明了数值模拟的有效性。
从数值计算结果可以看出,层状功能梯度板比等厚、等面密度均质复合材料靶板的抗侵彻能力好,并可近似地认为等厚、等面密度下多层功能梯度板的抗侵彻性能对颗粒分布不敏感。
关键词: 侵彻;L S 2D YNA ;功能梯度装甲板;碳化硅颗粒;数值模拟中图分类号: TB331;TB33011 文献标识码:APenetration of SiC P /Al f unctionally graded plates ———Experiment and numerical simulationYU Qingjun ,L I Yulo ng 3,DEN G Qiong ,TAN G Zhongbin ,XU Fei(School of Aeronautics ,Northwestern Polytechnical University ,Xi πan 710072,China )Abstract : The penetration tests of two kinds of f unctionally graded plates (F GM )were performed by using a high speed air 2gun system.The plates consist of layered structures with two stack sequences prepared by the vacuum hot2pressure diff usion processing.Each layer is made f rom aluminum matrix composites reinforced by different volumefraction SiC particles (MMCs )by the vacuum hot 2pressure sintering method.The numerical simulations of penetra 2tion process were carried out by L S 2D YNA code.The numerical simulations were also performed to explore the op 2timal distribution of certain average SiC P f raction.The test results show that the anti 2penetration ability of the f unc 2tionally graded plate is much better than that of the pure aluminum plate.The difference of anti 2penetration ability between the two tested f unctionally graded plates is not apparent.The numerical simulation results are in good agreement with experimental results.From the simulation results ,the layered plates have superior anti 2penetration ability to the that of homogeneity plate of MMCs.And the anti 2penetration of layered plates with the same thickness and the same areal density can be approximately regarded as not sensitive to the particle distribution.K eyw ords : penetration ;L S 2D YNA ;f unctionally graded plate ;SiC particle ;numerical simulation 陶瓷颗粒增强的金属基复合材料不仅具有很高的比刚度、比强度及耐磨性,而且具有良好的抗冲击性能。
提高氧化铝陶瓷断裂韧性的先进途径
氧化铝陶瓷因其优良的力学性能 、电性能 、化学稳 定性 ,较好的生物及环境相容性 ,而且原料来源广泛 , 制造成本低 ,是目前应用较广泛的一种陶瓷材料 ,尤其 在结构陶瓷 、电子陶瓷 、生物陶瓷等领域占有重要的位 置 。但它的致命弱点是非常低的断裂韧性 ,通常只有 3～4 MPa·m1Π2 。寻找各种途径 ,提高氧化铝陶瓷的断 裂韧性 ,使其获得更加广泛的应用是陶瓷材料科学家 和工程师努力的目标 。近年来 ,人们提出了改善氧化 铝陶瓷断裂韧性的许多途径 ,尤其是在晶粒纳米化及 纳米复合 、纤维和晶须复合 、微观结构设计和掺杂诱导 晶粒异向生长 、界面结构设计和延性金属复合等方面 取得了较大进展 。
1 纳米氧化铝陶瓷
纳米氧化铝陶瓷是指在氧化铝陶瓷材料中 ,晶粒 、 晶界以及它们之间的结合都处在纳米尺度水平 。由于 晶粒的细化 ,晶界数量大幅度增加 ,可使材料的强度 、 韧性和超塑性大为提高 ,并对材料的电学 、热学 、磁学 、 光学等性能产生重要影响 。氧化铝陶瓷纳米化及纳米 复合是目前改善其断裂韧性的最重要途径之一 。
近年来许多科研人员尝试采用α2Al2O3 直接烧结 的办法 ,即预先制备出α2Al2O3 粉体 ,然后采用一些改
进的烧结工艺来制备细晶显微结构氧化铝陶瓷 。但首 先要解决的问题是如何获得纳米α2Al2O3 粉体材料 。 用传统机械的方法很难得到纳米α2Al2O3 粉体 ,只能用 湿化学或物理化学的方法低温合成 。Chih2Peng Lin 等 人[1] 以油酸为络合剂 ,采用溶胶凝胶法制备出 60 nm α2Al2O3 粉体 ,相转变温度降到 1 000 ℃; Zhongjun Li 等 人[2] 采用碳酸铝铵热解法制备了粒径达 40～50 nm 的 α2Al2O3 粉体 ;高濂等人[3] 采用高分子网络凝胶法制备 出粒径达 10 nm 的α2Al2O3 粉体 ,相变温度比通常低 100 ℃;唐浩林等人[4] 则利用溶胶等离子体喷射法制 备了粒径 20 nm 的α2Al2O3 粉 ,而且在 1 150 ℃完成相 转变 。由于γ→α相变具有很高的势垒 ,许多研究者采 用添加晶种 ,引入各种可以降低γ→α相变势垒的添加 剂 ,以达到提高α2Al2O3 结晶成核密度 ,降低相转变温 度 ,抑制α2Al2O3 晶粒生长速率 ,实现制备纳米α2Al2O3 粉体材料的目的 。Ji2guang Li 等人[5] 在 Al (OH) 3 凝胶 中引入纳米α2Al2O3 晶种制备了 10 nm 的α2Al2O3 粉 体 ,相 转 变 温 度 只 有 950 ℃; 而 吴 义 权 等 人[6] 则 在 Al (OH) 3 凝胶中引入 ZnF2 和 AlF3 添加剂 ,使相变温度 降到 920 ℃,粒径达 50 nm。
物理气相沉积TiAlN涂层
物理气相沉积TiAlN涂层的研究进展*曹华伟张程煜乔生儒曹晓雨（西北工业大学超高温结构复合材料国防科技重点实验室，西安710072）摘要：本文概述了物理气相沉积TiAlN涂层的研究现状及发展趋势，详细分析了制备方法、Al元素含量、N2流量、基体偏压、温度以及其他元素对TiAlN涂层的结构、硬度、高温抗氧化性和耐腐蚀性等性能的影响。
目前制备的TiAlN涂层存在残余应力较大，表面液滴数量较多和涂层致密度差等问题。
为进一步促进TiAlN涂层的应用，今后还需探索该涂层的制备方法，优化其制备工艺。
多元纳米复合涂层和超点阵多层涂层是两个具有潜力的发展方向。
关键词：TiAlN涂层制备方法晶体结构硬度高温抗氧化性综述Recent progresses in physical vapor deposited TiAlN coating CAO Huawei ZHANG Chengyu QIAO Shenru CAO Xiaoyu(National Key Laboratory of Thermostructure Composite Materials, Northwestern PolytechnicalUniversity, Xi′an 710072, China)Abstract: The research and development of physical vapor deposited TiAlN coatings are summarized in the paper. The preparation methods, aluminum content, nitrogen flow rate, substrate bias, temperature and alloying elements had significant effects on the properties of TiAlN coatings, including crystal structure, hardness, high temperature oxidation resistance and corrosion resistance. Although the coating was used in many applications, there were many drawbacks which limit its performance, such as high residual stress, formation of large droplets and poor density. For further application, new preparation method should be explored. Meanwhile, the optimization of the processing technology should be made. It is potential to develop multiple nano-composite coating and superlattice multi-layer coating in the future.Key words: TiAlN coatings, preparation methods, crystal structure, hardness, high temperature oxidation resistance, review0前言*国家自然科学基金面上项目(50702045)；高等学校博士学科点专项科研基金(20070699007)和新世纪优秀人才支持计划(NCET-08-0460)第一作者：曹华伟(1986~)，河南周口，男，西北工业大学超高温结构复合材料实验室研究生、主要研究多弧离子镀TiAlN涂层的结构与性能。
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(College of Engineering, Shantou University, Shantou 515063)
Abstract：Theory analysis results show gradient structure can reduce the stress mutation in the joint surface between the coating and the substrate comparing with the nongraded interface, the maximum Mises stress of the coatings is significantly reduced, reasonable graded structure can effectively improve the Mises stress distribution of the coatings and change the characteristics of stress distribution. Optimization of the microstructure is required to achieve reductions in certain critical stress components believed to be important for controlling interface failure, and an adopting gradient structure of 0.25 power exponent is proposed, which can effectively reduce impact loads and Mises stress mutations. Supersonic air plasma spraying is used to produce gradient coatings, coatings with designed exponential graded structure and 6 interlayers are prepared, the coatings specimen are analyzed and tested using for microstructure, bonding strength and impact resistance separately. The XRD analysis results of coatings cross-section show the gradient coating present multilayer structure with designed exponential grade characteristics, impact experimental results show impact resistance properties of coating with 0.25 power exponent graded structure increased by 30% compared with linear gradient structure coating, and increased by 45% compared with 4.00 power exponent graded structure coating. The impact stress of coating with structure of 0.25 power exponent graded reduced, the surfact of coating is not is destroged or peeled off, the graded mutilayer structure is layered, and the impact failure mode of gradient structure of 1.00 and 4.00 power exponent are surface layer peeled off. Key words：gradient coating；bonding strength；impact load；failure analysis
月 2014 年 5 月
程西云等：梯度结构对氧化铝陶瓷涂层结合强度及抗冲击性能影响的试验研究
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电流 I= 550 A， 电压 U= 50 V， 主气流量为 40 L/min， 次气流量为 3.5 L/min，送粉量 10 g/min，喷涂距离 D= 85 mm，喷涂角 θ= 85°～90°。 2.1 梯度涂层组织结构 图 4 为不同幂指数特征梯度层横截面扫描电镜 照片，图 4 中底部灰色部分为基体，利用 ASEM 定 点分析证实图中梯度涂层中灰白色部分为镍元素， 深灰色部分为氧化铝，可以看出，梯度层各中间层 厚度在 116～130 μm，与设计值基本一致。
Experiment Study of Influences of Gradient Structure on the Bonding Strength and Impact Resistance of Al2O3 Ceramic Coatings
CHENG Xiyun XIAO Shu HE Jun
p
CeO2 混合粉体，Ni60 自熔合金粉各元素质量分数 分 别 如 下 ： wC=3.0% ， wCr=19.0% ， wB=2.3% ， wSi=2.0%，wFe=6.0%，其余为 Ni，粒度小于 80 μm， 图 1a 为其形貌扫描电镜照片；α-Al2O3 粉体粒度小 于 60 μm，图 1b 为其形貌扫描电镜照片，CeO2 为 分析纯级，纯度大于 99.9%，粉体粒度小于 3 μm， 混合粉体中 α-Al2O3 质量分数为根据不同梯度结构 进行调整，在混合粉体中加入表 1 所示质量分数的 CeO2，将样品分装入 20 mL 容器中，超声振荡 20 min，然后分别加入 KQ100 型变频行星式球磨机球 磨罐中进行湿磨、混料，湿磨介质为乙醇，球磨机 转速为 180 r/min，球磨时间为 16 h，将球磨后粉末 放入电炉中加热到 250 ℃烘干备用。对球磨样品利 用能谱仪测定，结果表明经过球磨混粉后，粉末混 合均匀性良好，对粉体扫描电镜分析表明，球磨后 粉体粒径为 10～30 μm，粉体中 α-Al2O3、CeO2 团
图1
(b) 喷涂用氧化铝粉体 10 μm
[5]
50 μm (a) 具有球形结构的 Ni60 粉体
Ni60 合金粉及氧化铝粉体扫描电镜照片
梯度涂层的描述与制备
1
1.1
试验材料及方法
粉体的制备 涂层粉体采用 Ni60 自熔合金粉、α-Al2O3 及
采用幂函数形式渐变描述镍 / 氧化铝二组元组 [6] 成的梯度涂层 。对镍 / 氧化铝组成的二元梯度材 料，假定组元成分沿 y 轴涂层厚度方向呈现一维连 续分布，组元氧化铝的体积分数是 y 的一元函数。 [7] 组元分布形式采用 WAKASHIMA 等 提出的幂函 数渐变形式，取 i2 2 y / 2 ，式中，δ2y 为沿 y 轴方 向梯度层厚度，δ2 为梯度层总厚度，沿梯度层厚度 方向上氧化铝组元体积分数分布为 Vc ( 2 y ) i2 100%
式中，p 为幂指数成分分布指数。 通过改变 p 值的大小， 可以改变 Vc ( 2 y ) 曲线的 形状。图 2 为不同分布指数对应的成分分布曲线， 可以看出，对二组元梯度材料，改变幂函数指数值 能得到不同形式渐变梯度层， 当 p =1.00 时， 组元在 梯度层中体积分数按线性关系变化，当 p = 4.00 时， 组元体积分数按幂指数变化，此时梯度层中氧化铝 的体积分数较线性梯度小。 采 用 Sulzer Metco F4 大 气 等 离 子 喷 枪 (Atmosphere plasma spray，APS)制备具有幂指数为 0.25、1.00、4.00 三种结构的梯度层，梯度层采用 6 层“三明治”式结构进行模拟。第一层为同基体粘 接层，粉体材料为镍铝合金粉末，表 1 为三种幂指 数梯度涂层中氧化铝的设计体积分数及各层厚度。 等离子喷涂制作梯度涂层主要工艺参数如下：喷涂
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机
械
工
程
学Hale Waihona Puke 报第 50 卷第 10 期期
定的缓和。近年来，3D 激光打印技术、等离子喷涂 技术的应用，使得按零件性能要求设计制备梯度涂 层成为可能
[2-4]
聚现象基本消除。
。虽然梯度涂层有许多优异特性，但
将其引入到机械零件表面尚有许多问题急待解决， 机械零件表面耐磨涂层同热障涂层相比，有它的特 殊性，机械零件表面涂层除承受热应力外，更主要 是承受摩擦力和压力引起的内应力，此外还承受冲 击载荷、疲劳载荷，涂层应力较复杂。必须进行涂 层结构的合理设计，使得涂层结构满足特定的工况 要求，具有耐磨、耐疲劳、冲击缓和等功能，才能 够使涂层在机械零件表面有更好的应用。 程西云等 对梯度涂层抗冲击性能有限元建模 分析表明，采用 5～10 层梯度结构能有效减缓陶瓷 涂层界面应力，提高涂层抗冲击性能。采用等离子 喷涂方法在 45 钢基体表面喷涂涂层， 通过对涂层粉 体配方控制，得到了 6 层具有不同梯度结构形式的 “三明治”式镍/氧化铝梯度涂层，试验研究了梯度 结构与涂层耐冲击性能关系，并考察了不同梯度结 构涂层抗冲击性能及失效形式。结果表明梯度结构 对镍基氧化铝梯度涂层抗冲击性能有较大的影响， 合理的梯度结构减缓了冲击载荷，涂层冲击失效形 式发生了变化。 1.2
何 俊
515063)
(汕头大学工学院
摘要：理论分析表明梯度结构能有效减缓氧化铝陶瓷层与基体结合面上的应力突变，涂层内部最大 Mises 应力明显降低，合 理的梯度结构能改善涂层内部 Mises 应力分布，改变应力分布特征。为验证理论分析结果的正确性，采用等离子喷涂制备具 有不同幂指数分布特征的 6 层“三明治”式梯度结构涂层，对梯度涂层结构进行表征，并试验研究涂层的结合强度及抗冲击 性能。结果表明，试验用梯度结构具备 p=0.25，1.00，4.00 次方幂指数梯度结构特征，不同结构梯度层结合强度均在 14.0～ 18.0 MPa，幂指数 p=1.00 的涂层结合强度最好，而幂指数 p=0.25 涂层抗冲击性能最好，较线性结构梯度涂层提高了 30%， 较幂指数 p=4.00 结构的梯度涂层提高了 45%，冲击失效后涂层截面分析证实 p=0.25 次方幂指数梯度结构减少了表面陶瓷层 的应力， 减缓了陶瓷层基体间应力突变梯度， 涂层失效是从底层开始的， 失效形式为梯度涂层层状结构间出现分层， 而 p=1.00、 4.00 次方幂指数梯度结构涂层冲击失效表现为表面陶瓷层脱落。 关键词：梯度涂层；结合强度；冲击载荷；失效分析 中图分类号：TH117