柳 建，孟凡軍，殷鳳良，陳永雄，梁秀兵

(1 裝甲兵工程學(xué)院 機(jī)械產(chǎn)品再制造國(guó)家工程研究中心，北京 100072；2 裝甲兵工程學(xué)院 裝備再制造技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100072)

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熱噴涂涂層與基體結(jié)合界面研究進(jìn)展

柳 建1，孟凡軍2，殷鳳良2，陳永雄1，梁秀兵1

(1 裝甲兵工程學(xué)院 機(jī)械產(chǎn)品再制造國(guó)家工程研究中心，北京 100072；2 裝甲兵工程學(xué)院 裝備再制造技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100072)

熱噴涂再制造過(guò)程中，由于材料原因，涂層與基體之間往往存在一個(gè)異質(zhì)界面問(wèn)題。異質(zhì)界面的形成與存在對(duì)再制造涂層服役性能有非常重要的影響。本文綜述了熱噴涂涂層與基體結(jié)合界面的研究發(fā)展現(xiàn)狀，主要是結(jié)合界面形成機(jī)理和結(jié)合界面對(duì)涂層性能影響的研究發(fā)展現(xiàn)狀。分析了熱噴涂涂層與基體結(jié)合界面研究目前還存在的問(wèn)題，并針對(duì)這些問(wèn)題提出采用新技術(shù)與新手段深入研究涂層與基體結(jié)合界面的生長(zhǎng)形成過(guò)程，揭示結(jié)合界面形成機(jī)理，并利用新表征方法實(shí)現(xiàn)涂層與基體結(jié)合界面形貌結(jié)構(gòu)定量化表征，構(gòu)建結(jié)合界面與涂層各項(xiàng)性能之間量化關(guān)系等的發(fā)展建議，進(jìn)而為實(shí)現(xiàn)涂層性能的設(shè)計(jì)控制及壽命預(yù)測(cè)奠定基礎(chǔ)。

再制造；結(jié)合界面；熱噴涂；涂層

再制造可以實(shí)現(xiàn)對(duì)廢舊機(jī)電產(chǎn)品的資源化高級(jí)利用，是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的有效途徑，具有顯著的資源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)作用，契合了十八大提出的“五位一體”生態(tài)文明建設(shè)精神和《全球2028機(jī)械工程展望》倡導(dǎo)的 “創(chuàng)造更清潔、更健康、更安全和可持續(xù)發(fā)展世界”的共識(shí)[1]。

熱噴涂技術(shù)是再制造關(guān)鍵支撐技術(shù)之一。相比其他再制造技術(shù)，熱噴涂具有生產(chǎn)效率高、涂層性能優(yōu)、經(jīng)濟(jì)效益好、材料利用率高等優(yōu)點(diǎn)，因而受到國(guó)內(nèi)外研究人員的高度關(guān)注。目前，熱噴涂技術(shù)已被廣泛用來(lái)制備耐磨層、耐腐蝕層及各種功能涂層，并用于曲軸、柱塞、鍋爐“四管”，以及飛機(jī)、艦船等零部件的維修再制造中[2-9]。不過(guò)，熱噴涂同樣存在異質(zhì)再制造界面過(guò)程。異質(zhì)再制造界面過(guò)程及材料組織結(jié)構(gòu)形成是成形再制造實(shí)現(xiàn)的瓶頸問(wèn)題，對(duì)再制造性能有至關(guān)重要的影響。本文對(duì)熱噴涂涂層與基體結(jié)合界面的國(guó)內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了概括綜述。在此基礎(chǔ)上，對(duì)熱噴涂涂層與基體結(jié)合界面的未來(lái)研究發(fā)展方向提出了建議。

1 涂層與基體結(jié)合界面研究現(xiàn)狀

1.1 結(jié)合界面形成機(jī)理研究發(fā)展現(xiàn)狀

固體表/界面是一個(gè)非?；靵y復(fù)雜的、不規(guī)則的系統(tǒng)[10]。界面是材料物理、化學(xué)性質(zhì)發(fā)生空間突變的二維區(qū)域，對(duì)材料各項(xiàng)性能都有重要的影響。界面問(wèn)題是再制造的三大瓶頸之一，對(duì)再制造質(zhì)量有至關(guān)重要的影響，為此，許多學(xué)者都對(duì)熱噴涂涂層與基體的結(jié)合界面進(jìn)行了深入研究。龔曉輝等[11]利用金相顯微鏡及掃描電鏡對(duì)Al-12% Si 合金基體上等離子噴涂鎳層組織形態(tài)及兩相界面做了細(xì)致觀察。結(jié)果顯示，在基體鋁合金與帶狀噴涂鎳層之間存在由厚氧化膜形成的不規(guī)則熔合線，阻礙焊合作用，因此得出結(jié)論：鎳與鋁合金尚未達(dá)到冶金上的熔合，其結(jié)合機(jī)理尚需進(jìn)一步研究。

Kim等[12-14]分別對(duì)鈮基體上等離子噴涂陶瓷涂層、鎂合金表面電弧噴涂鋁涂層以及45鋼基體上電爆炸噴涂Ti6Al4V涂層的結(jié)合界面微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)涂層與基體間存在擴(kuò)散行為，界面屬于擴(kuò)散型界面。文獻(xiàn)[15-17]的研究中，也都借助掃描電鏡和X 射線能譜儀等設(shè)備對(duì)不同條件下的結(jié)合界面進(jìn)行分析，證實(shí)涂層與基體間存在擴(kuò)散行為。錢聲偉等[18]運(yùn)用透射電鏡，X 光衍射及電子探針等方法，詳細(xì)研究了等離子噴涂 Mo 涂層與電弧噴涂Al 涂層的界面相組成、成分與結(jié)構(gòu)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：Mo 涂層與鋼基材的界面區(qū)內(nèi)存在許多擴(kuò)散反應(yīng)產(chǎn)物，是相、成分、組織結(jié)構(gòu)的突變區(qū)域，涂層結(jié)合類型主要是冶金結(jié)合；而Al 涂層僅在界面少數(shù)孤立點(diǎn)上有反應(yīng)發(fā)生，結(jié)合類型以機(jī)械結(jié)合和物理結(jié)合為主，這表明不同噴涂材料與基體的結(jié)合機(jī)理不同。

實(shí)際上，涂層與基體的結(jié)合類型大致可以分為兩大類：擴(kuò)散/冶金結(jié)合以及機(jī)械/物理結(jié)合。這主要取決于其配對(duì)材料的相容性。相容性好，則涂層與基體可以實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，如同系金屬之間配對(duì)。相容性不好，則結(jié)合主要靠噴涂微粒在基體表面的拋錨作用及分子間作用力，如金屬基體表面噴涂陶瓷涂層其結(jié)合類型即主要為機(jī)械結(jié)合和物理結(jié)合。

但是，熱噴涂過(guò)程中，由于噴涂微滴尺寸很小，而且噴涂撞擊的速率比較高，實(shí)際研究觀察涂層的形成過(guò)程和機(jī)理比較困難。因此，為弄清熱噴涂涂層與基體結(jié)合界面的形成機(jī)理，許多研究者都借助數(shù)值模擬手段對(duì)噴涂微滴在基體上的碰撞沉積過(guò)程進(jìn)行了研究分析，其行為直接決定了涂層與基體結(jié)合界面的形成。其中，比較有代表性的噴涂微滴鋪展模型有李長(zhǎng)久等提出的基體熔化誘發(fā)飛濺鋪展模型[19]和吸附氣體誘發(fā)飛濺鋪展模型[20]以及文獻(xiàn)[21]中提出的熔滴沉積“煎雞蛋”模型。圖1為基體熔化誘發(fā)飛濺鋪展模型示意圖。圖2為一熔滴沉積“煎雞蛋”模型例證圖。另外，文獻(xiàn)[22-26]的研究者們也都采用數(shù)值模擬手段對(duì)這一過(guò)渡沉積過(guò)程進(jìn)行了分析。而B(niǎo)rossard等，Wu等[27，28]更是設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，實(shí)際觀察研究了單個(gè)噴涂微粒在基體上的鋪展結(jié)合行為。結(jié)果表明，不同條件下噴涂微粒的鋪展行為及其與基體的結(jié)合類型是不相同的，而且基體類型及其表面狀態(tài)等都會(huì)對(duì)其在基體上的鋪展凝固行為產(chǎn)生影響。

不過(guò)，由于熱噴涂涂層材料與基體材料組合的多樣性，而且實(shí)際的研究表明，即使同一配對(duì)材料，不同工藝條件如基體溫度不同時(shí)，噴涂微粒在基體表面上的沉積鋪展行為也可能不一樣，上述的熔滴沉積模型都存在一定的局限性?；w熔化誘發(fā)飛濺鋪展模型主要適用于噴涂熔滴材料熔點(diǎn)遠(yuǎn)高于基體材料熔點(diǎn)情況。熔滴沉積“煎雞蛋”模型較適用于半熔融或噴涂材料中含有高熔點(diǎn)硬質(zhì)相顆粒情況。目前，還沒(méi)有一個(gè)通用的熱噴涂熔滴沉積鋪展模型，熱噴涂涂層與基體結(jié)合界面的形成機(jī)理也還不清楚。受結(jié)合界面處相、成分、組織結(jié)構(gòu)突變的影響，材料的各項(xiàng)物性也將發(fā)生突變，進(jìn)而將影響涂層的各項(xiàng)性能。而所有能影響結(jié)合界面形成的因素自然也將影響涂層的性能。

1.2 結(jié)合界面對(duì)涂層性能的影響研究發(fā)展現(xiàn)狀

噴涂微粒與基體碰撞沉積形成的界面是整個(gè)結(jié)合界面的最基本組成單元，其對(duì)結(jié)合界面的結(jié)構(gòu)形成及涂層性能有本質(zhì)的影響。為此， Wang等[29]采用實(shí)驗(yàn)加模擬相結(jié)合手段，定量表征微滴鋪展界面，研究了其對(duì)涂層熱導(dǎo)率和彈性模量的影響，結(jié)果表明，25%～60%的涂層材料性能降低是由微滴鋪展界面的存在引起的。文獻(xiàn)[30，31]的研究也證實(shí)微粒碰撞鋪展界面對(duì)涂層的形成及涂層性能有直接的影響。

結(jié)合強(qiáng)度是涂層性能的重要指標(biāo)之一。Li等[32]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了羥磷灰石涂層與基體結(jié)合界面處的微觀組織結(jié)構(gòu)對(duì)涂層結(jié)合強(qiáng)度的影響。結(jié)果顯示，垂直于結(jié)合界面的納米立方晶粒不利于涂層結(jié)合強(qiáng)度的提高，大尺寸六方晶粒的生成也會(huì)惡化涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，而納米尺寸的顆粒狀晶?？梢蕴岣咄繉优c基體的結(jié)合強(qiáng)度，其機(jī)理是納米粒狀顆粒與基體間的互鎖作用較強(qiáng)。Bourse等[33]采用等離子噴涂技術(shù)在鋼基體上制備鋁青銅涂層，并通過(guò)改進(jìn)的V(z)反演技術(shù)計(jì)算涂層的結(jié)合強(qiáng)度，研究涂層結(jié)合強(qiáng)度與結(jié)合界面之間的關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，涂層結(jié)合強(qiáng)度隨界面硬度參數(shù)KT的下降而下降。

Lee等[34]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了Al2O3顆粒尺寸和形狀(如圖3(a)，(b)中所示)分別與Al-Al2O3涂層和Si，Al基體結(jié)合界面之間的關(guān)系，以揭示其對(duì)涂層結(jié)合強(qiáng)度的影響。結(jié)果顯示：Al2O3顆粒形狀和尺寸影響其與基體撞擊時(shí)凹坑的形成，進(jìn)而將影響涂層與基體結(jié)合界面的完整性，并最終影響涂層的性能；顆粒尺寸越大，凹坑就越大且越深；軟顆粒噴涂在硬基體上時(shí)，由于不能形成有效的凹坑，因而涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度較差。圖3(c)為圖3(a)，(b)所對(duì)應(yīng)不同粉材制備的涂層結(jié)合強(qiáng)度對(duì)比圖。Watanabe等[35]通過(guò)研究WC微粒尺寸對(duì)HVOF制備的涂層結(jié)合界面的影響指出，WC顆粒在基體中的侵入以及涂層中金屬黏結(jié)相的比例是影響涂層結(jié)合強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。另外，文獻(xiàn)[36]的研究指出，噴涂粒子的氧化程度也影響噴涂粒子與基體的結(jié)合方式，進(jìn)而影響涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。

圖1 基體融化誘發(fā)飛濺鋪展模型[19，23] (a),(b)初始鋪展;(c),(d)飛濺和裂紋發(fā)生;(e)殘留的飛濺涂層;(f)最終的飛濺涂層Fig.1 Substrate surface melting-induced splashing model[19，23] (a),(b) the early stages of flattening; (c),(d) splashing and cracking occuring as the surface layer of the splat is solidified completes;(e)splitting of the residual central splat;(f) the final splat

圖2 熔滴沉積“煎雞蛋”模型例證圖[21]Fig.2 Example of “fried-egg” shape model[21]

圖3 Al2O3顆粒尺寸和形狀對(duì)涂層結(jié)合強(qiáng)度的影響[34](a)燒結(jié)Al2O3粉體SEM照片;(b)熔融Al2O3粉體SEM照片;(c)不同粉材制備Al-Al2O3涂層結(jié)合強(qiáng)度對(duì)比圖Fig.3 Effects of shape and size of Al2O3 particles on adhesion of cold sprayed coatings[34] (a)agglomerated Al2O3 powders;(b)fused Al2O3powders;(c)adhesion of Al-Al2O3 coatings by cold spray

而邵貝羚等[37]通過(guò)對(duì)幾種不同材料HVOF 涂層界面微結(jié)構(gòu)的研究指出，影響噴涂界面結(jié)合強(qiáng)度的主要結(jié)構(gòu)因素是界面的非晶化和界面區(qū)的強(qiáng)變形、應(yīng)力集中和微裂紋擴(kuò)展。

為此，如何改善涂層與基體結(jié)合界面處的微觀組織結(jié)構(gòu)，以及噴涂微粒與基體結(jié)合方式，是提高涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度的必要手段。

Zhu等[38]研究了超音速微粒沉積工藝優(yōu)化對(duì)鎂合金基體與Al-Si合金涂層之間結(jié)合強(qiáng)度的影響。研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)噴涂距離為160～200mm，噴涂氣壓0.61MPa，送粉速率為6r/min時(shí)，涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度較高，可以達(dá)到42MPa，因此，優(yōu)化噴涂工藝是提高涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度的可行方法。水露雨等[39-42]對(duì)電接觸強(qiáng)化、感應(yīng)重熔及激光熱效應(yīng)處理的涂層進(jìn)行了研究分析，結(jié)果表明，幾種后處理工藝都會(huì)使結(jié)合界面處的微觀組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，有利于涂層與基體之間形成冶金結(jié)合，進(jìn)而提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。另外，研究表明，基體粗化、預(yù)熱等也是改善涂層與基體結(jié)合狀態(tài)，提高涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度的重要措施[19,42-44]。

而馬臣等[45]則采用亞音速氧-乙炔火焰噴涂，通過(guò)在噴涂粉末中加入一定比例的稀土元素來(lái)提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。結(jié)果顯示，稀土元素可以和氧、氮形成稀土氧化物和稀土氮化物，并放出熱量，加速噴涂微冶金結(jié)合過(guò)程；同時(shí)，形成的稀土化合物可以降低粉末的熔點(diǎn)，加大涂層的潤(rùn)濕鋪展，也促進(jìn)冶金結(jié)合界面的形成，提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。

殘余熱應(yīng)力及涂層在服役過(guò)程中由于受熱/機(jī)械載荷作用在結(jié)合界面處造成的應(yīng)力集中往往是誘發(fā)裂紋萌生及擴(kuò)展并最終致使涂層失效的主要因素。Zhao等[46]通過(guò)對(duì)熱障涂層(頂層材料為ZrO2+8%Y2O3，結(jié)合層材料成分為NiCoCrAlTaY)失效模式和結(jié)合性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析證實(shí)，在受力情況下裂紋會(huì)在頂層與黏結(jié)層的結(jié)合界面處萌生，并迅速擴(kuò)展。毛衛(wèi)國(guó)等[47]也針對(duì)實(shí)際應(yīng)用中熱障涂層體系發(fā)生界面屈曲破壞的工程問(wèn)題，通過(guò)合理設(shè)計(jì)預(yù)埋界面缺陷的熱障涂層樣品，研究了空心圓柱體結(jié)構(gòu)熱障涂層體系的界面屈曲破壞問(wèn)題。結(jié)果表明，發(fā)生界面屈曲破壞的主要原因是熱障涂層在冷卻階段由于溫度變化導(dǎo)致涂層界面處的殘余壓縮應(yīng)力不斷增大集中，促使其屈曲程度不斷擴(kuò)大，最終發(fā)生脫落。文獻(xiàn)[48-50]的研究也都證實(shí)，涂層受力情況下，結(jié)合界面處往往是裂紋萌生處。同時(shí)，材料中拉應(yīng)力控制熱生長(zhǎng)氧化層界面裂紋的擴(kuò)展行為和陶瓷涂層的破壞機(jī)制[51-54]。

Beck[55]通過(guò)研究進(jìn)一步指出，結(jié)合界面形貌也影響涂層的應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)而在涂層受力狀態(tài)下，影響涂層內(nèi)部裂紋的形成和擴(kuò)展。不過(guò)，該文獻(xiàn)中對(duì)結(jié)合界面形貌的描述僅限于定性描述。

為了弄清結(jié)合界面形狀對(duì)涂層性能的影響，尚晶等[56]采用ANSYS軟件對(duì)鋸齒狀和平面型結(jié)合界面形狀的耐磨涂層中殘余熱應(yīng)力進(jìn)行了有限元分析，結(jié)果顯示：鋸齒形界面結(jié)構(gòu)可以改變集中應(yīng)力的分布，結(jié)合界面應(yīng)力分布趨于均勻化，而涂層界面為平面形狀時(shí)，存在局部應(yīng)力集中現(xiàn)象；不過(guò)鋸齒形界面形狀的涂層中殘余應(yīng)力比平面的涂層有所增加，而且齒形突變?cè)絿?yán)重殘余應(yīng)力也越高。文獻(xiàn)[57]中，作者采用間接耦合分析的方法，模擬計(jì)算了噴涂過(guò)程中陶瓷層/黏結(jié)層間三維結(jié)構(gòu)橢圓界面的應(yīng)力場(chǎng)分布，得出了黏結(jié)層表面三維橢球形貌單元位置和尺寸與熱應(yīng)力分布之間的關(guān)系。模擬結(jié)果表明，涂層制備后，結(jié)合界面是應(yīng)力集中區(qū)，存在著應(yīng)力突變；橢球形貌單元位置和尺寸對(duì)于陶瓷層和黏結(jié)層的界面應(yīng)力影響較為明顯，在形貌單元尺寸一定的情況下，涂層邊界附近形貌單元的熱應(yīng)力相對(duì)較大，是涂層失效的危險(xiǎn)單元，單元角點(diǎn)處為各個(gè)單元的危險(xiǎn)點(diǎn)。而姚國(guó)鳳等[58]利用ANSYS軟件對(duì)結(jié)合界面形貌尺寸與殘余應(yīng)力之間關(guān)系的模擬分析結(jié)果表明，熱障涂層中的殘余應(yīng)力是界面形貌尺寸的函數(shù)。該研究結(jié)果與Ahrens等[59]的研究結(jié)果相一致。Zhang 等[60]通過(guò)數(shù)值模擬手段研究了粗糙結(jié)合界面和表面裂紋行為之間的關(guān)系。結(jié)果顯示，界面粗糙度不但對(duì)等離子噴涂熱障涂層中殘余應(yīng)力分布有影響，而且對(duì)應(yīng)變能釋放率以及裂紋擴(kuò)展方式都有重要影響：基體突起部分降低應(yīng)變能釋放率值，而凹下部分將增大應(yīng)變能釋放率；粗糙結(jié)合界面條件下，表面裂紋將優(yōu)先向應(yīng)力集中度高的地方擴(kuò)展。圖4(a)是其基于波形結(jié)合界面建立的包含多條表面裂紋的涂層/基體系統(tǒng)有限元模型，圖4(b)～(d)是不同位置表面裂紋擴(kuò)展方式的模擬結(jié)果圖。

實(shí)際上，熱障涂層的屈曲和層離是陶瓷層中平行于界面的壓應(yīng)力和垂直于界面的拉應(yīng)力共同作用的結(jié)果。文獻(xiàn)[61]的研究根據(jù)界面損傷力學(xué)思想，基于三結(jié)點(diǎn)界面單元，模擬了余弦形界面在熱循環(huán)載荷下的損傷以及在拉伸載荷下的破壞過(guò)程。結(jié)果顯示，熱循環(huán)載荷作用下，波峰處產(chǎn)生的損傷最大，是界面斷裂的危險(xiǎn)位置，這其中法向應(yīng)力起主導(dǎo)作用。同時(shí)，通過(guò)對(duì)拉伸載荷下的破壞計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，該文獻(xiàn)指出，由于涂層界面形狀不規(guī)則時(shí)，界面單元的法向和切向相耦合，共同承擔(dān)了外載荷，因此等離子涂層粗糙界面承受法向拉伸載荷的能力較平直界面顯著增強(qiáng)。丁艷霞[62]借助有限元分析軟件ANSYS，并采用幾種不同的正弦波形模擬界面形貌來(lái)分析熱障涂層界面形貌對(duì)涂層內(nèi)應(yīng)力的影響，通過(guò)研究指出，涂層界面形貌對(duì)平行于界面的壓應(yīng)力和垂直于界面的拉應(yīng)力都有影響，噴涂時(shí)，應(yīng)盡量采取減小形貌曲率的方法。這樣可以降低涂層發(fā)生屈曲和產(chǎn)生裂紋的概率，延長(zhǎng)涂層壽命。

侯平均等[63]也利用模擬手段研究了界面粗糙度對(duì)雙層熱障涂層殘余應(yīng)力的影響。結(jié)果表明，涂層內(nèi)的等效殘余應(yīng)力隨表面粗糙度的增大整體呈增大趨勢(shì)，在Ra=30μm附近時(shí)，等效殘余應(yīng)力較小。但是，該研究也存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：(1)以粗糙基體表面代替結(jié)合界面，而不是基于實(shí)際的結(jié)合界面形貌進(jìn)行模擬；(2)模擬時(shí)以不同幅值，周期不變的正弦函數(shù)表征基體表面粗糙度的變化(正弦曲線幅值與粗糙度值之間存在一定比例關(guān)系)，反映不出基體表面的真實(shí)粗糙性；(3)研究指出的Ra=30μm附近時(shí)等效殘余應(yīng)力較小既沒(méi)有理論支撐，也沒(méi)有實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

徐穎強(qiáng)等[64]則利用彈性理論中的空心球模型，建立三維四層的理論分析球模型，從凹凸兩種界面形貌進(jìn)行了含抗氧化夾層/熱障涂層界面殘余應(yīng)力分析。通過(guò)研究指出，較薄的Al2O3夾層能對(duì)熱障涂層的氧化防護(hù)起到很好的作用，可以抑制不規(guī)則的氧化生長(zhǎng)，從而減小殘余應(yīng)力。但如果夾層厚度太大，氧化層/黏結(jié)層界面處殘余應(yīng)力將隨氧化層厚度的增加而快速增長(zhǎng)，將導(dǎo)致熱障涂層產(chǎn)生裂紋并失效。遺憾的是，該研究沒(méi)有對(duì)Al2O3夾層的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行驗(yàn)證，也沒(méi)有給出Al2O3夾層厚度的理論參考值。

另外，李振軍等[65]通過(guò)對(duì)不同條件下的熱障涂層界面殘余熱應(yīng)力模擬分析指出，基體材質(zhì)熱膨脹系數(shù)對(duì)熱障涂層系統(tǒng)界面的徑向、軸向及剪切應(yīng)力梯度有決定性的影響。這對(duì)熱障涂層的設(shè)計(jì)制備也具有一定的指導(dǎo)作用。路學(xué)成等，張永康[66，67]的研究表明，涂層的厚度也影響涂層界面的剪切應(yīng)力和剝離應(yīng)力分布，隨涂層厚度的增加，涂層應(yīng)力增大。

此外， Fu等[68]采用材料動(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析儀對(duì)MCrAlY 涂層(大氣等離子噴涂法制備)的阻尼性能進(jìn)行了測(cè)試，并采用ANSYS 有限元軟件，分析了MCrAlY 涂層中界面結(jié)構(gòu)區(qū)域的應(yīng)力場(chǎng)，以研究界面結(jié)構(gòu)對(duì)MCrAlY 涂層阻尼性能的影響。結(jié)果表明：界面結(jié)構(gòu)的阻尼以滑移耗能為主；在相同振動(dòng)彎曲環(huán)境中，“縱向”界面結(jié)構(gòu)的阻尼略高于“橫向”界面結(jié)構(gòu)的阻尼。同時(shí)指出，合理設(shè)計(jì)涂層結(jié)構(gòu)中的“縱向”界面結(jié)構(gòu)，將有利于涂層結(jié)構(gòu)在振動(dòng)彎曲過(guò)程中的振動(dòng)能量消耗，從而提高其阻尼性能。

涂層材料的功能性和可靠性在很大程度上受殘余熱應(yīng)力的影響。而涂層中各層材料所受應(yīng)力最終是由相鄰層材料之間的熱膨脹系數(shù)之差決定的。涂層形成過(guò)程中，由于界面兩側(cè)材料之間的熱膨脹系數(shù)不同，當(dāng)溫度由高到低發(fā)生變化時(shí)，結(jié)合界面處即發(fā)生形變不協(xié)調(diào)，產(chǎn)生應(yīng)力。保留到室溫下的應(yīng)力即為殘余應(yīng)力。實(shí)際上，結(jié)合界面形貌結(jié)構(gòu)的變化將引起界面處兩側(cè)不同成分材料分布狀況的改變，因此最終會(huì)對(duì)涂層殘余應(yīng)力產(chǎn)生重要的影響。

基體預(yù)處理、優(yōu)化工藝、實(shí)施后處理等是改善結(jié)合界面處微觀組織結(jié)構(gòu)，解決涂層殘余應(yīng)力的常用有效途徑。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，功能梯度中間層可以緩解甚至消除熱障涂層中黏結(jié)層與頂層間結(jié)合界面處的殘余應(yīng)力的不連續(xù)性[69-71]。因此，設(shè)計(jì)制備功能梯度層也是解決涂層殘余應(yīng)力，提高涂層性能的措施之一。

另外，納米材料由于具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能，有納米粒子存在時(shí)所形成的特殊界面結(jié)構(gòu)，在涂層的抗磨增韌方面扮演著重要角色，因此，納米涂層的設(shè)計(jì)與制備是獲取高性能涂層的一條途徑，也是近期人們研究的熱點(diǎn)[29,72-74]。

2 結(jié)合界面研究目前存在的問(wèn)題

有關(guān)熱噴涂與基體結(jié)合界面問(wèn)題的研究已經(jīng)很多。但是，異質(zhì)界面問(wèn)題是再制造的三大技術(shù)瓶頸之一。目前，熱噴涂涂層與基體結(jié)合界面研究還存在以下幾方面問(wèn)題值得深思與解決。

(1)熱噴涂涂層與基體結(jié)合界面的形成機(jī)理尚不清晰。由于熱噴涂工藝特點(diǎn)，目前，熱噴涂涂層與基體的結(jié)合機(jī)理尚存爭(zhēng)議。涂層與基體結(jié)合界面的形成多采用模擬并結(jié)合界面微觀形貌結(jié)構(gòu)觀察分析手段。但統(tǒng)計(jì)顯示，目前相關(guān)模擬研究中，約98%的研究是基于理想平面上進(jìn)行的；不足 2%的研究是關(guān)于不規(guī)則顆粒在理想基體表面沉積行為的研究，而僅有約0.1%的研究是基于粗糙基體表面的[21,23]。因此，模擬結(jié)果與實(shí)際噴涂情形差距較大。涂層與基體結(jié)合界面的具體生長(zhǎng)成形過(guò)程和形成機(jī)理，以及各因素對(duì)其生長(zhǎng)成形行為的具體影響都不清晰，需要進(jìn)行專門、深入的研究。

(2)結(jié)合界面對(duì)涂層組織結(jié)構(gòu)的影響還不清楚。目前，對(duì)于涂層與基體結(jié)合界面結(jié)構(gòu)形貌的研究比較少，而且多為定性描述，因此，結(jié)合界面結(jié)構(gòu)形貌對(duì)涂層組織結(jié)構(gòu)的影響無(wú)法準(zhǔn)確描述。實(shí)際上，噴涂過(guò)程中，結(jié)合界面結(jié)構(gòu)形貌直接影響涂層的微觀組織結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響涂層性能。

(3)結(jié)合界面對(duì)涂層服役性能的具體影響不確定。目前，結(jié)合界面對(duì)涂層性能的影響多集中于結(jié)合強(qiáng)度、涂層應(yīng)力方面。結(jié)合界面對(duì)涂層服役過(guò)程中的耐磨、耐蝕等性能會(huì)產(chǎn)生怎樣的影響尚不清楚，相關(guān)研究還未見(jiàn)報(bào)道。

3 未來(lái)研究發(fā)展建議

(1)采用新技術(shù)與新手段，深入開(kāi)展涂層與基體結(jié)合界面的生長(zhǎng)形成過(guò)程模擬研究，并結(jié)合實(shí)際涂層結(jié)合界面微觀形貌結(jié)構(gòu)及組織分析，揭示涂層與基體結(jié)合界面形成機(jī)理。同時(shí)，研究確定結(jié)合界面形成的影響因素，以及各因素對(duì)其形成的影響機(jī)理。

(2)引進(jìn)新型理論，實(shí)現(xiàn)涂層與基體結(jié)合界面結(jié)構(gòu)形貌的準(zhǔn)確定量表征，研究結(jié)合界面結(jié)構(gòu)形貌與涂層內(nèi)部微觀組織結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，弄清結(jié)合界面對(duì)涂層內(nèi)部微觀組織結(jié)構(gòu)形成的影響規(guī)律和影響機(jī)理。

(3)在上述研究的基礎(chǔ)上，深入研究涂層與基體結(jié)合界面結(jié)構(gòu)對(duì)涂層各項(xiàng)性能如涂層硬度、耐磨性、耐蝕性，以及涂層疲勞強(qiáng)度等的影響。通過(guò)這些研究，可為實(shí)現(xiàn)涂層性能的設(shè)計(jì)控制，壽命預(yù)測(cè)奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語(yǔ)

熱噴涂再制造技術(shù)的應(yīng)用范圍可覆蓋整個(gè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)、民用工業(yè)和國(guó)防等重要領(lǐng)域，從渦輪葉片熱障涂層到轉(zhuǎn)動(dòng)件的耐磨和耐腐蝕涂層， 以及高性能戰(zhàn)機(jī)隱身涂層等。因此，研究并解決界面這一再制造技術(shù)瓶頸問(wèn)題，推動(dòng)熱噴涂技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，不但經(jīng)濟(jì)意義顯著，并可以明顯節(jié)約資源、能源，非常有利于我國(guó)循環(huán)經(jīng)濟(jì)、節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略需求的實(shí)現(xiàn)。

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(本文責(zé)編：楊 雪)

Progress in Research on Bonding Interface Between Thermal Spraying Coating and Substrate

LIU Jian1,MENG Fan-jun2,YIN Feng-liang2,CHEN Yong-xiong1,LIANG Xiu-bing1

(1 National Engineering Research Center for Mechanical Product Remanufacturing,Academy of Armored Forces Engineering,Beijing 100072,China；2 National Key Laboratory for Remanufacturing,Academy of Armored Forces Engineering,Beijing 100072,China)

In the process of thermal spraying remanufacturing, a heterogenerous bonding interface always exists between the coating and matrix due to the materials reason. And the formation and existence of the bonding interface has a significant influence on the coating performance. In this paper, research progress on bonding interface between thermal spraying coating and substrate was summarized, mainly focused on the forming mechanism of bonding interface and its effect on coating performance. The problems on the research of bonding interface between the thermal spraying coating and substrate were analyzed, and aiming at these problems, some suggestions were put forward, such as adopting new technology and approaches to investigate the growing process of the bonding interface in order to reveal its forming mechanism, exploiting new characterization method to realize quantitative characterization of bonding interface morphology and structure so as to build the quantitative relationship between bonding interface and coating properties, andetc. and to lay foundation for the implementation on design and control of the coating properties and life prediction.

remanufacturing;bonding interface;thermal spraying;coating

10.11868/j.issn.1001-4381.2014.001230

TG117.1；TG434

A

1001-4381(2017)01-0101-10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51405510，51205408)

2014-10-27；

2016-09-18

柳建(1982-)，男，博士，主要從事裝備再制造技術(shù)方面的研究，聯(lián)系地址：北京市豐臺(tái)區(qū)杜家坎21號(hào)裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械產(chǎn)品再制造國(guó)家工程研究中心(100072)，E-mail：baiduxiao@hotmail.com