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等离子喷涂HA涂层残余应力的研究

郭天旭  
【摘要】: 陶瓷涂层的残余应力对其结合性能有显著影响。本文从涂层中残余应力的形成机理角度出发来研究ZrO_2和羟基磷灰石(HA)陶瓷涂层中残余应力的工艺影响因素。根据曲率法测试原理,本研究设计并制作了涂层残余应力测试装置。在Ti-6Al-4V基体上采用等离子喷涂方法制备了ZrO_2陶瓷涂层,研究了基体温度变化、喷涂电流、气体流量和喷涂距离等工艺因素对等离子喷涂ZrO_2涂层的弹性模量和残余应力的影响规律,据此进一步研究了等离子喷涂工艺对HA涂层残余应力的影响规律,并初步分析了提高羟基磷灰石涂层结合强度的关键因素。 主要研究结果如下:基体温度对涂层弹性模量和残余应力的影响显著。随基体温度的升高,涂层的弹性模量升高,喷涂粒子到基体温度差值减小,使得淬火应力降低。在ZrO_2涂层中,在基体无预热,弱冷却条件下,涂层的弹性模量为61GPa,平均淬火应力值为122MPa;当预热温度提高到160oC,同样冷却条件下,涂层的弹性模量变为129GPa,平均淬火应力值下降到65MPa。在涂层成型时温度没有太大的变化时,热应力基本与弹性模量变化规律相一致。基体温度在喷涂过程中变化不剧烈时,层间应力很小。 提高喷涂电流使功率由36kW升高到39kW时,ZrO_2涂层孔隙率由8.9%下降到4.8%,涂层的弹性模量由49GPa上升到120GPa,平均淬火应力从42MPa上升到83MPa。进一步增加了氢气和氩气流量使功率由39kW提高的45.5kW时,涂层孔隙率升高到6.1%,弹性模量下降到112GPa,而平均淬火应力下降到64MPa。 ZrO_2陶瓷涂层弹性模量和残余应力随喷涂距离的增加呈现先增大后减小的变化,当喷涂距离由80mm增加到90mm时,涂层孔隙率明显下降,涂层的弹性模量由较低的86GPa升高到120GPa,平均淬火应力从64MPa增加到86MPa;当喷涂距离进一步增大到105mm时,涂层孔隙较多,涂层弹性模量下降到27GPa,而平均淬火应力下降到35MPa。 对于HA涂层,喷涂距离在90mm至100mm之间,喷涂电流在600A至700A范围内时,随喷涂距离和喷涂电流的增加,涂层致密性增加,弹性模量升高,残余应力均增加。喷涂电流和喷涂距离增加时由于残余应力过高,涂层结合强度降低。在HA涂层残余应力分量中,淬火应力值高于热应力值,对HA涂层的结合强度占主导影响地位,热应力实测值与理论计算值基本相同。 所制备HA涂层均符合ISO 13779-2标准中关于结合强度和结晶度的要求,其中在氩气流量为42L/min,氢气流量为7L/min,600A电流和90mm喷距时,HA涂层具有很好的结合强度和较低的残余应力。


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