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(jié)合對涂層壽命的分析及預(yù)測的研究現(xiàn)狀與需要解決的問題，提出了其未來發(fā)展的方向。

關(guān)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(yōu)點，是航空、航天、國防、船舶、機械、化工、醫(yī)療等領(lǐng)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(lǐng)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(shù)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(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，極大限制了其在航空、航天等特殊領(lǐng)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(yōu)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(jīng)濟效益，因此在許多工業(yè)部門中獲得了越來越廣泛的應(yīng)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(shù)進步和生產(chǎn)應(yīng)用發(fā)展很快，己成為熱噴涂技術(shù)的最重要組成部分。目前，主要的等離子噴涂方法有:常規(guī)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(jù)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(jù)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(xiàn)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(fā)。

因為等離子噴涂的種類很多，加上涂層類型及其物性參數(shù)的不同，故影響涂層壽命的因素很多，主要有涂層間殘余應(yīng)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(yù)測模型及涂層壽命的準確預(yù)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(nèi)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(guān)鍵問題之一。因為在噴涂過程中，熔融態(tài)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?？紫犊煞譃楸砻婵?、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(yīng)”(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(tài)也會導致孔隙的形成(如圖1(d)所示)?？紫兜拇嬖谥饕獙ν繉訌椥阅Ａ俊⑼繉訜釕?yīng)力以及涂層熱物理性能產(chǎn)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(guī)律，就可以為優(yōu)化等離子噴涂工藝，提高涂層質(zhì)量及使用壽命提供理論和數(shù)據(jù)支持。

由于典型的等離子噴涂熱障涂層結(jié)構(gòu)包括陶瓷層、氧化層、粘結(jié)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(yīng)是由于分層后的陶瓷層在較大的面內(nèi)殘余壓應(yīng)力作用下發(fā)生了屈曲，為認識熱障涂層結(jié)構(gòu)的失效機制進而預(yù)測熱障涂層結(jié)構(gòu)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(guī)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(jié)論是陶瓷層的屈曲臨界尺寸決定了熱障涂層結(jié)構(gòu)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(fā)生剝落失效。因此，只要能夠設(shè)法確定界面分層裂紋的擴展速率或者規(guī)律，依據(jù)屈曲分析所確定的臨界尺寸就可以預(yù)測熱障涂層結(jié)構(gòu)的使用壽命。

接觸疲勞失效是材料在循環(huán)接觸應(yīng)力作用下，產(chǎn)生局部永久性累積損傷，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后，接觸表面發(fā)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(chǔ)之上，采用Weibull概率曲線的方法對涂層的接觸疲勞壽命數(shù)據(jù)進行了表述，并預(yù)測了在同一應(yīng)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(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上，使用極大似然估計法得到了Weibull分布的兩個參數(shù)，并在此基礎(chǔ)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(yīng)力水平和摩擦工況的任意循環(huán)次數(shù)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(fā)動機渦輪葉片的涂層利用所測試的材料參數(shù)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(yù)測，結(jié)果顯示，預(yù)測結(jié)果較為精確。

3 結(jié)論

雖然近幾十年來等離子噴涂技術(shù)進步和生產(chǎn)應(yīng)用發(fā)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(jié)合強度的影響程度，如何取舍各參數(shù)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(shù)也是一個關(guān)鍵問題。如熱膨脹系數(shù)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(shù)范圍過大，分析結(jié)果將與實際差別較大，分析結(jié)果將沒有意義;若參數(shù)范圍過小，則會造成可能無法實現(xiàn)的極大工作量。因此如何將各參數(shù)的量化優(yōu)化在合理的范圍內(nèi)，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)