本發(fā)明涉及涂層材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于正方形與溝槽形交替組合形成織構(gòu)圖案來提高涂層結(jié)合強度的結(jié)構(gòu)和方法。

背景技術(shù)：

等離子噴涂涂層能夠?qū)崿F(xiàn)大尺寸零件的加工，且能夠得到較厚的涂層厚度，因此被廣泛的應(yīng)用在工程領(lǐng)域，但是因其與基體的結(jié)合方式屬于機械結(jié)合，這就導(dǎo)致噴涂涂層的結(jié)合力較低，而基體與涂層的結(jié)合強度是影響熱噴涂涂層服役性能的至關(guān)重要的因素。若噴涂涂層由于其結(jié)合強度較弱，在服役時，在涂層界面處容易發(fā)生失效行為，因此，很多手段已經(jīng)被應(yīng)用于噴涂前處理，如噴丸、化學(xué)除油等。但是化學(xué)方法除油會在表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，引進新的氧化物，造成基體表面化學(xué)成分的改變，且所使用的化學(xué)藥品對人體和環(huán)境均有害；而噴丸過程雖然能夠使基體表面得到一定的粗糙度，但是所得到的圖案不規(guī)則，不易于控制，并且噴砂過程會導(dǎo)致基體的變形，甚至使基體表面具有顯微裂紋?？梢姡瑐鹘y(tǒng)的噴涂前粗化處理并不能使涂層的結(jié)合力得到有效的提高。

因此，提供一種基于正方形與溝槽形交替組合形成織構(gòu)圖案來提高涂層結(jié)合強度的方法，作為噴涂前處理過程，通過研究織構(gòu)形狀組合與結(jié)合強度之間的關(guān)系，從而調(diào)整和選擇織構(gòu)圖案形式，以提高涂層與基體的結(jié)合力，以期將其應(yīng)用到工程實踐領(lǐng)域，延長噴涂涂層的服役壽命，就成為本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于正方形與溝槽形交替組合形成織構(gòu)圖案來提高涂層結(jié)合強度的方法，作為噴涂前處理過程，通過研究織構(gòu)形狀組合與結(jié)合強度之間的關(guān)系，從而調(diào)整和選擇織構(gòu)圖案形式，以提高涂層與基體的結(jié)合力，以期將其應(yīng)用到工程實踐領(lǐng)域，延長噴涂涂層的服役壽命。本發(fā)明的另一目的是提供一種提高涂層結(jié)合強度的結(jié)構(gòu)。

為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明提供了一種基于正方形與溝槽形交替組合形成織構(gòu)圖案以提高涂層結(jié)合強度的方法，包括以下步驟：

1)制備織構(gòu)化圖案：基于生物仿生學(xué)，利用激光過程在基體表面進行正方形圖案的織構(gòu)化加工；

2)參數(shù)調(diào)整：根據(jù)步驟1)中形成的織構(gòu)化圖案調(diào)整噴涂工藝參數(shù)和織構(gòu)化圖案參數(shù)，以得到具有預(yù)設(shè)邊長的正方形和具有預(yù)設(shè)寬度的溝槽形交替組合形成的織構(gòu)化圖案，所述織構(gòu)化圖案的織構(gòu)步驟為：首先織構(gòu)至少三列溝槽形圖案，相鄰兩列溝槽形圖案之間預(yù)留預(yù)設(shè)距離，且該預(yù)設(shè)距離大于預(yù)織構(gòu)正方形的邊長，而后在相鄰兩列溝槽形圖案之間織構(gòu)正方形圖案；

3)涂層噴涂：利用超音速等離子噴涂方法對步驟1)所得的基體進行噴涂；

4)涂層結(jié)合強度測試和校驗：通過掃描電子顯微鏡觀察噴涂前織構(gòu)的幾何形貌和噴涂后涂層橫截面的sem形貌；使用膠粘紙把棒狀零件粘接在涂層表面，通過測量拉開零件使涂層從基片上剝離所需力的大小，求得涂層的附著力。

進一步地，在步驟1)之前還包括基體預(yù)處理步驟，對基體的表面進行打磨清洗處理。

進一步地，在步驟1)中所制備的織構(gòu)化圖案中，其相鄰正方形與溝槽形之間的間距為65微米，正方形的邊長為以下至少一種：20微米、35微米、55微米或70微米，溝槽形的寬度為以下至少一種：15微米、25微米、40微米、60微米。

進一步地，在步驟1)中，所用基體為fv520b。

進一步地，步驟2)中所述噴涂工藝參數(shù)為：激光功率15w，掃描速度900mm/s，加工次數(shù)為2次。

進一步地，所得到的織構(gòu)化圖案加工深度為60微米。

進一步地，在步驟3)中所選用的涂層為nicrbsi陶瓷涂層，通過超音速等離子噴涂得到厚度為500微米左右的噴涂涂層，其中nicrbsi粉末的粒度為50-60微米。

本發(fā)明還提供一種基于正方形與溝槽形交替組合形成織構(gòu)圖案以提高涂層結(jié)合強度的結(jié)構(gòu)，包括基體、在所述基體上制備形成的織構(gòu)化圖案，和在所述織構(gòu)化圖案上噴涂形成的涂層；所述織構(gòu)化圖案包括多列正方形圖案和多列溝槽形圖案，所述正方形圖案與所述溝槽形圖案交替分布，相鄰兩列正方形圖案之間設(shè)置有一列溝槽形圖案。

優(yōu)選地，所述織構(gòu)化圖案中相鄰正方形與溝槽形之間的間距為65微米，正方形的邊長為以下至少一種：20微米、35微米、55微米或70微米，溝槽形的寬度為以下至少一種：15微米、25微米、40微米或60微米。

優(yōu)選地，所述基體為不銹鋼，所述涂層為nicrbsi陶瓷涂層。

本發(fā)明的有益效果如下：

本發(fā)明提供的方法通過改變織構(gòu)化圖案的結(jié)合方式來改變噴涂涂層結(jié)合強度，當(dāng)織構(gòu)化圖案為正方形、溝槽形和正方形與溝槽形的交替組合三種不同形式下，其噴涂涂層結(jié)合強度隨圖案組合形式的不同而不同，與現(xiàn)有的織構(gòu)化提高涂層強度的方法相比較，優(yōu)化了織構(gòu)化圖案參數(shù)；本發(fā)明使用激光織構(gòu)化方法通過控制激光過程的參數(shù)在基體表面得到了一定尺寸及密度的規(guī)則排列的織構(gòu)化幾何圖案。其作為噴涂前處理過程，在材料表面預(yù)置正方形和溝槽形交替組合形成的織構(gòu)化圖案，與單一正方形織構(gòu)化圖案及單一溝槽形織構(gòu)化圖案相比較，組合圖案能夠克服單一圖案在某一方向的應(yīng)力集中和結(jié)合薄弱點一致的問題，即在單一正方形織構(gòu)化圖案中，每一個正方形的薄弱點是位置相同或相近的，就導(dǎo)致整體上某一方向特別容易開裂，而組合圖案中，正方形織構(gòu)圖案與溝槽形織構(gòu)化圖案之間的薄弱點是不同的，兩者組合織構(gòu)在一起能夠?qū)崿F(xiàn)互補，從而提高整體的結(jié)合強度，通過改變傳統(tǒng)織構(gòu)化圖案類型單一的特征，探索出正方形與溝槽形織構(gòu)圖案相結(jié)合以提高噴涂涂層強度的機理，并進一步探索出能有效提高涂層結(jié)合強度的較優(yōu)的織構(gòu)化圖案參數(shù)，提高了涂層與基體的結(jié)合力，便于將其應(yīng)用到工程實踐領(lǐng)域，以延長噴涂涂層的服役壽命。

附圖說明

圖1為單一圖案和組合圖案對結(jié)合強度的影響測試結(jié)果圖；

圖2為不同尺寸規(guī)格下組合圖案對結(jié)合強度的影響測試結(jié)果圖。

具體實施方式

以下通過實施例來進一步描述本發(fā)明的有益效果，應(yīng)該理解的是，這些實施例僅用于例證的目的，決不限制本發(fā)明的保護范圍。

實施例一

本發(fā)明提供了一種基于正方形與溝槽形交替組合形成織構(gòu)圖案以提高涂層結(jié)合強度的方法，該方法具體包括以下步驟：

s11基體預(yù)處理步驟，對基體的表面進行打磨清洗處理，以去除基體表面雜質(zhì)，提高噴涂效果；

s12制備織構(gòu)化圖案：基于生物仿生學(xué)，利用激光過程在基體表面進行正方形和溝槽形組合圖案的織構(gòu)化加工；

s13參數(shù)調(diào)整：根據(jù)步驟s12中形成的織構(gòu)化圖案調(diào)整噴涂工藝參數(shù)和織構(gòu)化圖案參數(shù)，以得到正方形和溝槽形交替組合形成的織構(gòu)化圖案，該織構(gòu)化圖案中，相鄰正方形與溝槽形之間的間距為65微米，正方形的邊長20微米、溝槽形的寬度為15微米；具體地，該形狀參數(shù)下的織構(gòu)化圖案，激光功率14w，掃描速度800mm/s，加工次數(shù)為2次；所述織構(gòu)化圖案的織構(gòu)步驟為：首先織構(gòu)至少三列溝槽形圖案，相鄰兩列溝槽形圖案之間預(yù)留預(yù)設(shè)距離，且該預(yù)設(shè)距離大于預(yù)織構(gòu)正方形的邊長，而后在相鄰兩列溝槽形圖案之間織構(gòu)一列正方形圖案。

s14涂層噴涂：利用超音速等離子噴涂方法對步驟s12所得的基體進行噴涂；噴涂設(shè)備選用礦冶研究總院的高效gtvf6等離子噴涂設(shè)備，噴涂工藝參數(shù)為噴涂電壓120v，噴涂電流440a，噴涂功率55kw，噴涂距離100mm，最終獲得一定厚度的涂層。

s15涂層結(jié)合強度測試和校驗：通過掃描電子顯微鏡觀察噴涂前織構(gòu)的幾何形貌和噴涂后涂層橫截面的sem形貌；使用膠粘紙把棒狀零件粘接在涂層表面，通過測量拉開零件使涂層從基片上剝離所需力的大小，求得涂層的附著力。

實施例二

本發(fā)明提供了一種基于正方形與溝槽形交替組合形成織構(gòu)圖案以提高涂層結(jié)合強度的方法，該方法具體包括以下步驟：

s21基體預(yù)處理步驟，對基體的表面進行打磨清洗處理，以去除基體表面雜質(zhì)，提高噴涂效果；

s22制備織構(gòu)化圖案：基于生物仿生學(xué)，利用激光過程在基體表面進行正方形和溝槽形組合圖案的織構(gòu)化加工；

s23參數(shù)調(diào)整：根據(jù)步驟s22中形成的織構(gòu)化圖案調(diào)整噴涂工藝參數(shù)和織構(gòu)化圖案參數(shù)，以得到正方形和溝槽形交替組合形成的織構(gòu)化圖案，該織構(gòu)化圖案中，相鄰正方形與溝槽形之間的間距為65米，正方形的邊長35微米、溝槽形的寬度為25微米；具體地，該形狀參數(shù)下的織構(gòu)化圖案，激光功率14w，掃描速度800mm/s，加工次數(shù)為2次；所述織構(gòu)化圖案的織構(gòu)步驟為：首先織構(gòu)至少三列溝槽形圖案，相鄰兩列溝槽形圖案之間預(yù)留預(yù)設(shè)距離，且該預(yù)設(shè)距離大于預(yù)織構(gòu)正方形的邊長，而后在相鄰兩列溝槽形圖案之間織構(gòu)一列正方形圖案。

s24涂層噴涂：利用超音速等離子噴涂方法對步驟s22所得的基體進行噴涂；噴涂設(shè)備選用礦冶研究總院的高效gtvf6等離子噴涂設(shè)備，噴涂工藝參數(shù)為噴涂電壓120v，噴涂電流440a，噴涂功率55kw，噴涂距離100mm，最終獲得一定厚度的涂層。

s25涂層結(jié)合強度測試和校驗：通過掃描電子顯微鏡觀察噴涂前織構(gòu)的幾何形貌和噴涂后涂層橫截面的sem形貌；使用膠粘紙把棒狀零件粘接在涂層表面，通過測量拉開零件使涂層從基片上剝離所需力的大小，求得涂層的附著力。

實施例三

本發(fā)明提供了一種基于正方形與溝槽形交替組合形成織構(gòu)圖案以提高涂層結(jié)合強度的方法，該方法具體包括以下步驟：

s31基體預(yù)處理步驟，對基體的表面進行打磨清洗處理，以去除基體表面雜質(zhì)，提高噴涂效果；

s32制備織構(gòu)化圖案：基于生物仿生學(xué)，利用激光過程在基體表面進行正方形和溝槽形組合圖案的織構(gòu)化加工；

s33參數(shù)調(diào)整：根據(jù)步驟s32中形成的織構(gòu)化圖案調(diào)整噴涂工藝參數(shù)和織構(gòu)化圖案參數(shù)，以得到正方形和溝槽形交替組合形成的織構(gòu)化圖案，該織構(gòu)化圖案中，相鄰正方形與溝槽形之間的間距為65微米，正方形的邊長55微米、溝槽形的寬度為40微米；具體地，該形狀參數(shù)下的織構(gòu)化圖案，激光功率14w，掃描速度800mm/s，加工次數(shù)為2次；所述織構(gòu)化圖案的織構(gòu)步驟為：首先織構(gòu)至少三列溝槽形圖案，相鄰兩列溝槽形圖案之間預(yù)留預(yù)設(shè)距離，且該預(yù)設(shè)距離大于預(yù)織構(gòu)正方形的邊長，而后在相鄰兩列溝槽形圖案之間織構(gòu)一列正方形圖案。

s34涂層噴涂：利用超音速等離子噴涂方法對步驟s32所得的基體進行噴涂；噴涂設(shè)備選用礦冶研究總院的高效gtvf6等離子噴涂設(shè)備，噴涂工藝參數(shù)為噴涂電壓120v，噴涂電流440a，噴涂功率55kw，噴涂距離100mm，最終獲得一定厚度的涂層。

s35涂層結(jié)合強度測試和校驗：通過掃描電子顯微鏡觀察噴涂前織構(gòu)的幾何形貌和噴涂后涂層橫截面的sem形貌；使用膠粘紙把棒狀零件粘接在涂層表面，通過測量拉開零件使涂層從基片上剝離所需力的大小，求得涂層的附著力。

實施例四

本發(fā)明提供了一種基于正方形與溝槽形交替組合形成織構(gòu)圖案以提高涂層結(jié)合強度的方法，該方法具體包括以下步驟：

s41基體預(yù)處理步驟，對基體的表面進行打磨清洗處理，以去除基體表面雜質(zhì)，提高噴涂效果；

s42制備織構(gòu)化圖案：基于生物仿生學(xué)，利用激光過程在基體表面進行正方形和溝槽形組合圖案的織構(gòu)化加工；

s43參數(shù)調(diào)整：根據(jù)步驟s42中形成的織構(gòu)化圖案調(diào)整噴涂工藝參數(shù)和織構(gòu)化圖案參數(shù)，以得到正方形和溝槽形交替組合形成的織構(gòu)化圖案，該織構(gòu)化圖案中，相鄰正方形與溝槽形之間的間距為65微米，正方形的邊長70微米、溝槽形的寬度為60微米；具體地，該形狀參數(shù)下的織構(gòu)化圖案，激光功率14w，掃描速度800mm/s，加工次數(shù)為2次；所述織構(gòu)化圖案的織構(gòu)步驟為：首先織構(gòu)至少三列溝槽形圖案，相鄰兩列溝槽形圖案之間預(yù)留預(yù)設(shè)距離，且該預(yù)設(shè)距離大于預(yù)織構(gòu)正方形的邊長，而后在相鄰兩列溝槽形圖案之間織構(gòu)一列正方形圖案。

s44涂層噴涂：利用超音速等離子噴涂方法對步驟s42所得的基體進行噴涂；噴涂設(shè)備選用礦冶研究總院的高效gtvf6等離子噴涂設(shè)備，噴涂工藝參數(shù)為噴涂電壓120v，噴涂電流440a，噴涂功率55kw，噴涂距離100mm，最終獲得一定厚度的涂層。

s45涂層結(jié)合強度測試和校驗：通過掃描電子顯微鏡觀察噴涂前織構(gòu)的幾何形貌和噴涂后涂層橫截面的sem形貌；使用膠粘紙把棒狀零件粘接在涂層表面，通過測量拉開零件使涂層從基片上剝離所需力的大小，求得涂層的附著力。

在上述各實施例中，所用基體為不銹鋼，具體為fv520b，所得到的織構(gòu)化圖案加工深度為60微米，所選用的涂層為nicrbsi陶瓷涂層，通過超音速等離子噴涂得到厚度為500微米左右的噴涂涂層，其中nicrbsi粉末的粒度為50-60微米。所用激光為脈沖激光，其能量和加工次數(shù)決定著織構(gòu)化圖案的深度，通過系統(tǒng)自帶的畫圖軟件，可以將所需要的一定尺寸一定形狀按照一定間距的織構(gòu)化圖案預(yù)先畫出來，然后對試樣表面進行加工，可以得到精細尺寸結(jié)構(gòu)的織構(gòu)化圖案。

對比例

為了測量涂層的各項性能，采用novananosem450型掃描電子顯微鏡觀察噴涂后織構(gòu)的幾何形貌。為了測試不同織構(gòu)化圖案對噴涂涂層的抗疲勞性能的影響，采用滾動接觸疲勞試驗機對噴涂涂層的疲勞性能進行測試。

基體表面不同形狀織構(gòu)下及組合織構(gòu)圖案時不同圖案規(guī)格下，涂層與基體的結(jié)合強度采用拉伸試驗機對涂層的結(jié)合強度進行測試，所用拉伸試驗機的型號為：mts809型電子萬能材料試驗機。對上述各實施例中制備的各種尺寸規(guī)格的溝槽形與正方形交替組合形成的織構(gòu)化圖案之間、以及這些組合圖案與單一溝槽形圖案、單一正方形圖案進行涂層噴涂后進行拉伸測試，涂層從基體斷裂的力比涂層的面積為最終的結(jié)合強度。

測試結(jié)果如圖1和圖2所示，圖1為組合圖案與單一溝槽形圖案、單一正方形圖案的結(jié)合強度對比曲線，圖2為同樣是溝槽形與正方形交替組合形成的織構(gòu)化圖案下，不同圖案尺寸規(guī)格下涂層與基體的結(jié)合強度。組合形成的織構(gòu)化圖案在不同的尺寸規(guī)格下的結(jié)合強度對照如下表所示：

表1組合形成的織構(gòu)化圖案在不同的尺寸規(guī)格下的結(jié)合強度對照

當(dāng)織構(gòu)圖案為溝槽形和正方形交替組合形成的圖案時，正方形的邊長和溝槽形的寬度均會對結(jié)合強度造成影響，以上表取樣點為例，正方形的邊長在20微米、溝槽形的寬度在15微米時結(jié)合強度最低，為26mpa，邊長在70微米、溝槽形的寬度為60微米時結(jié)合強度最高，為56mpa，邊長在35微米、寬度為25微米時結(jié)合強度為32mpa，邊長在55微米、寬度為40微米時結(jié)合強度為48mpa；可見，邊長在20-70微米之間、寬度在15-60微米之間時，結(jié)合強度隨邊長及寬度的增加而增大。

相比于單一織構(gòu)圖案，交替組合織構(gòu)的圖案具有更高的結(jié)合強度，單一正方形織構(gòu)圖案、單一溝槽形織構(gòu)圖案以及由溝槽形和正方形交替組合形成的織構(gòu)化圖案在同等尺寸規(guī)格下的結(jié)合強度對照如下表所示：

表2單一圖案和組合圖案在同等尺寸規(guī)格下的結(jié)合強度對照

本發(fā)明提供的方法通過改變織構(gòu)化圖案的結(jié)合方式來改變噴涂涂層結(jié)合強度，當(dāng)織構(gòu)化圖案為正方形、溝槽形和正方形與溝槽形的交替組合三種不同形式下，其噴涂涂層結(jié)合強度隨圖案組合形式的不同而不同，與現(xiàn)有的織構(gòu)化提高涂層強度的方法相比較，優(yōu)化了織構(gòu)化圖案參數(shù)；本發(fā)明使用激光織構(gòu)化方法通過控制激光過程的參數(shù)在基體表面得到了一定尺寸及密度的規(guī)則排列的織構(gòu)化幾何圖案。其作為噴涂前處理過程，在材料表面預(yù)置正方形和溝槽形交替組合形成的織構(gòu)化圖案，與單一正方形織構(gòu)化圖案及單一溝槽形織構(gòu)化圖案相比較，組合圖案能夠克服單一圖案在某一方向的應(yīng)力集中和結(jié)合薄弱點一致的問題，即在單一正方形織構(gòu)化圖案中，每一個正方形的薄弱點是位置相同或相近的，就導(dǎo)致整體上某一方向特別容易開裂，而組合圖案中，正方形織構(gòu)圖案與溝槽形織構(gòu)化圖案之間的薄弱點是不同的，兩者組合織構(gòu)在一起能夠?qū)崿F(xiàn)互補，從而提高整體的結(jié)合強度，通過改變傳統(tǒng)織構(gòu)化圖案類型單一的特征，探索出正方形與溝槽形織構(gòu)圖案相結(jié)合以提高噴涂涂層強度的機理，并進一步探索出能有效提高涂層結(jié)合強度的較優(yōu)的織構(gòu)化圖案參數(shù)，提高了涂層與基體的結(jié)合力，便于將其應(yīng)用到工程實踐領(lǐng)域，以延長噴涂涂層的服役壽命。

本發(fā)明還提供一種基于正方形與溝槽形交替組合形成織構(gòu)圖案以提高涂層結(jié)合強度的結(jié)構(gòu)，包括基體、在所述基體上制備形成的織構(gòu)化圖案，和在所述織構(gòu)化圖案上噴涂形成的涂層；所述織構(gòu)化圖案包括多列正方形圖案和多列溝槽形圖案，所述正方形圖案與所述溝槽形圖案交替分布，相鄰兩列正方形圖案之間設(shè)置有一列溝槽形圖案；其中所述織構(gòu)化圖案中相鄰正方形與溝槽形之間的間距為65微米，正方形的邊長為以下至少一種：20微米、35微米、55微米或70微米，溝槽形的寬度為以下至少一種：15微米、25微米、40微米、60微米，所述基體為不銹鋼，具體為fv520b，所述涂層為nicrbsi陶瓷涂層。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。