黄维
自贡长城硬面材料有限公司 四川自贡 643000
摘要：在热喷涂过程中，因材料等因素影响，使得涂层和基体间会产生一种异质结合界面，且该异质界面会对涂层的性能产生重要影响。文中综合分析了热喷涂涂层和基体结合界面研究的现状，并分析了热喷涂涂层和基体结合界面研究工作中还存有的一些问题，同时对于该问题提出应采取新措施、新技术，以对涂层和基体的结合界面生长过程进行深入研究，得到结合界面的产生机理，从而为控制涂层性能设计和预测其寿命提供条件。
关键词：热喷涂涂层；结合界面；基体；分析
1、引言
热喷涂技术是一种重要的再制造技术，由于热喷涂涂层良好的性能和较高的生产效率和材料使用率，经济效益显著，受到了人们的高度重视。现阶段，热喷涂已广泛运用于耐腐蚀涂层、耐磨涂层和各类功能性涂层制造中，同时也用在柱塞、曲轴、锅炉“四管”和船舰、飞机零部件等的维护再制造中。然而，由于热喷涂过程中异质结合界面的存在，使得异质结合界面的产生及其材料组织的形成对热喷涂涂层性能造成了重要影响。文中通过分析当前热喷涂涂层和基体结合界面的研究现状，提出了热喷涂层和基体结合界面当前研究中存在的问题，并为后续的研究提出相关建议。
2、结合界面的产生机理
热喷涂涂层和基体结合界面是一个十分不规则、复杂混乱的系统，是材料化学、物理特性容易产生空间突变的部位，对各项材料性能都会产生重要影响。一般来说，涂层和基体结合的类型主要可分成两类，即机械/物理结合和扩散/冶金结合，这个过程主要由其所配对的材料相容性决定。好的相容性，涂层和基体之间可完成冶金结合，如金属材料之间的配对。而相容性较差，则其结合需要借助喷涂粒子的分子间作用力和在基体表层的抛锚作用，如在金属基体表层进行陶瓷涂层的喷涂，它们的结合过程主要是机械/物理结合。
因热喷涂材料和基体材料的多样化组合，并且通过实际研究可知，即便是同种配对材料，当工艺条件不同时，喷涂在基体表面的涂层微粒其铺展沉积行为也将不同。当前，还未形成一个热喷涂熔滴铺展沉积的通用模型，热喷涂涂层和基体的结合界面产生机理还需要开展更多研究。因结合界面组织构成、成分突变等影响，会使材料各项性能也出现突变，从而对涂层性能造成影响，且能对结合界面产生带来影响的所有因素也都将会影响到涂层性能，所以必须对此高度重视，加强对结合界面产生机理的研究。
3、结合界面对于涂层性能影响分析
热喷涂涂层微粒和基体的碰撞铺展所产生界面是构成结合界面的基本单元，对于结合界面结构的形成和涂层性能具有最根本的影响。
结合强度是表征涂层性能的一个关键指标。通过研究涂层和基体在结合界面部位的微观组织对结合强度影响表明，与结合界面垂直的纳米立方微观晶粒对涂层结合强度提升较为不利，六方晶粒的形成也将降低涂层和基体结合的强度，但纳米颗粒型晶粒能提升涂层和基体间结合的强度，原理为纳米颗粒晶粒和基体存在较强的互锁效应。
残余热应力和涂层在工作时因受到热/机械荷载作用的影响，会在结合界面部位产生应力集中，从而将可能引起裂纹产生和扩展，从而最终造成涂层的失效。通过实验研究热障涂层（其顶部材料ZrO2+8%Y2O3，结合层部位材料NiCoCrAITaY）的失效模式及结合特性可知，在受力条件下涂层裂纹会首先在顶部和黏结层结合处产生，并快速发生扩展。而通过对实际使用中的热障涂层在结合界面处的屈曲破坏问题研究可知，导致界面出现屈曲破坏的因素主要为在热障涂层冷却过程中，因温度改变造成涂层界面部位的残余压应力逐步集中增大，从而使得界面的屈曲程度逐渐增大，进而造成失效脱落。
为了明确结合界面处的形状对热喷涂涂层特性产生的影响，通过采用ANSYS有限元软件分析了锯齿形与平面形结合界面耐磨层在残余热应力作用下的受力情况，结果表明：锯齿形结合界面组织结构能有效改善集中应力分布情况，界面应力均匀分布，而平面形涂层结合界面出现了局部应力的集中状况；同时，锯齿形结合界面涂层内残余应力与平面形涂层相比有所提高，且锯齿形的突变更为严重，残余应力值也更高。此外，有的学者通过采取间接耦合研究方式，模拟分析了喷涂时黏结层/陶瓷层之间的三维椭圆形结构界面应力分布情况，得到了黏结层三维椭球单元的位置与尺寸对热应力分布情况的影响。通过分析可知，涂层在热喷涂后，结合界面为应力集中的区域，产生了应力突变；而椭球单元的位置与尺寸会对黏结层/陶瓷层的结合界面应力产生显著影响，在单元尺寸不变的条件下，涂层界面周围单元的热应力值相对会较大，是可能会引起涂层失效部位，单元的角点部位是各单元危险点。
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通过ANSYS软件分析涂层和基体结合界面尺寸和残余应力间关系可知，热喷涂涂层的残余应力与结合层尺寸有关。同时通过采用数值模拟方式对结合处粗糙界面与表面的裂纹行为间关系进行研究可知，界面的粗糙度不仅会影响热喷涂涂层中的残余应力分布情况，同时还会影响应变能的释放率和裂纹的扩展形式：基体的突起处会使应变能的释放率减小，而下凹处将会提高应变能的释放率；在粗糙界面情况下，其表面的裂纹会优先扩展到应力集中程度较高的区域。
残余应力会在极大程度上影响涂层材料的性能稳定性。涂层内各层材料受到的应力情况将决定于邻近层材料间热膨胀系数的差值。在喷涂涂层时，因结合面两侧的材料间热膨胀系数存在不同，所以在温度从高向低转变时，其结合界面部位会出现变形不协调，进而引起应力并保存至室温下即产生残余应力。一般来说，结合界面的结构形貌改变会造成界面两侧不同材料成分分布情况的转变，所以必然将对涂层的残余应力带来重大影响。
基体的工艺优化、预处理、后处理实施等措施是改进结合界面微观结构组织，处理涂层中残余应力的有效手段。在研究时发现，其功能梯度的中间层能消除或缓解热喷涂涂层的顶层与黏结层之间结合界面部位残余应力不连续情况。所以，对功能梯度层的设计和控制也是处理残余应力和提升涂层性能的一种手段。
4、结合界面研究中的问题与建议
4.1 结合界面研究中的问题分析
当前，已经有许多与热喷涂涂层和基体结合界面相关的研究，但对于异质结合界面问题的研究还存在一定不足，仍然是再制造技术中的一大难题，主要体现在以下几个方面，还需要更进一步的深入研究。
（1）热喷涂涂层和基体结合界面产生的机理研究还有待进一步加强。因热喷涂技术的工艺特性，当前热喷涂涂层和基体结合界面产生的机理还存在一定争议。涂层和基体的结合界面产生机理的研究，多数是选择模拟与分析观察界面微观结构相结合的方式。但根据统计可知，在当前的有关模拟分析研究中，有超过98%是以理想平面为基础开展的；其他约2%是根据不规则晶粒在理想表面的沉积行为进行研究，仅有不到0.1%是根据基体粗糙表面进行研究的。所以，研究结果会和实际喷涂存在一定差别。涂层和基体的结合界面实际形成过程与机理，和各种因素对形成的影响均需要进一步开展深入研究。
（2）结合界面对涂层结构组织影响尚需进一步研究。当前，有关涂层和基体的结合界面组织构造的分析较少，且大多是定性分析，所以，结合
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界面对于涂层的组织结构影响还难以准确表述。一般来说，在喷涂时，结合界面的形貌情况会对涂层微观结构组织产生直接影响，从而对涂层的性能造成影响。
（3）结合界面对涂层使用性能影响还无法确定。当前，结合界面对于涂层使用性能影响大多都集中在结合强度等方面。结合界面会对涂层在使用时耐蚀、耐磨等特性的影响情况还不确定，同时也未见到有关的研究报道。
4.2 对后续研究的建议分析
（1）采取新手法、新技术，对涂层和基体的结合界面产生过程进行深入的模拟分析，并与涂层界面的实际微观结构和形貌组织状态相结合进行分析，以揭示结合界面的产生原理。此外，还需对影响结合界面产生的因素进行分析确定，同时找出各类因素的影响原理。
（2）引入新理论，以定量、准确表征涂层和基体的结合界面形貌组织，分析结合界面的形貌和涂层内部组织间关系，得出结合界面影响涂层内微观组织的产生规律与机理。
（3）在以上研究基础之上，进一步分析涂层和基体的结合界面对于涂层耐磨性、硬度、耐蚀性、疲劳强度等各类性能的影响。通过该分析过程，以有效控制涂层的性能设计，并为预估涂层寿命提供条件。
5、结束语
热喷涂技术的使用范围涉及国防工业、高新技术及民用等诸多关键领域，如涡轮叶片的热喷涂涂层以及转动构件耐蚀、耐磨涂层和高性能战斗机的隐形涂层等用途。所以，深入研究和有效处理涂层与基体结合界面的技术问题，促进热喷涂技术的广泛使用和快速发展，不仅经济效益明显，而且还能使能源、资源等得到大幅节约，对推动我国发展循环经济具有重要意义。
参考文献:
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作者简介：黄维，（1984-08-16），男,助理工程师，从事喷涂材料的研究和生产。
论文作者:黄维
论文发表刊物:《防护工程》2018年第32期
论文发表时间:2019/2/22
标签：涂层论文; 界面论文; 基体论文; 应力论文; 热喷涂论文; 残余论文; 性能论文; 《防护工程》2018年第32期论文;