涂层结构及优化方法

2023-06-18 理论教育版权反馈

【摘要】：涂层结构与被喷涂材料的组织结构有明显的差异，这是由于工艺方法的不同而引起的。因此，涂层的典型结构是由变形扁平微细的涂层材料堆积而成的层状结构，且中间夹带着部分气孔和氧化物。在热喷涂工艺方法中，高能高速等离子喷涂、真空低压和可控气氛等离子喷涂、高速火焰喷涂、冷气动力喷涂等方法，可有效地减少和消除氧化物夹杂及气孔的产生，改善涂层结构和性能。一般说来，涂层自身结合强度高于涂层与基体的结合强度。

涂层结构与被喷涂材料的组织结构有明显的差异，这是由于工艺方法的不同而引起的。从热喷涂涂层形成的原理可以清楚地看到，涂层结构是由无数变形扁平的粒子相互交错呈波浪式堆积而成的层状结构。这是喷涂过程中，由于熔化或半熔化状态粒子与喷涂工作气体及周围环境气氛进行化学反应，使得喷涂材料经喷涂后会出现表面氧化。同时，变形扁平粒子的相互叠加产生搭桥效应，不可避免地在涂层中出现小部分孔隙。因此，涂层的典型结构是由变形扁平微细的涂层材料堆积而成的层状结构，且中间夹带着部分气孔和氧化物。气孔和氧化物的多寡决定于涂层材料的种类、喷涂工艺方法和喷涂工艺参数。在热喷涂工艺方法中，高能高速等离子喷涂、真空低压和可控气氛等离子喷涂、高速火焰喷涂、冷气动力喷涂等方法，可有效地减少和消除氧化物夹杂及气孔的产生，改善涂层结构和性能。

除典型的层状结构外，现代热喷涂技术的应用改善了传统的层状结构，出现了类似于EB-PVD涂层的柱状结构涂层，如PS-PVD等离子物理气相沉积和LPPS超低压等离子喷涂可实现气相沉积或固、液、气混合相沉积，得到柱状结构。

涂层的结合强度包含涂层与基体表面的结合强度（通常所说的涂层结合强度）和形成涂层颗粒与颗粒之间的内聚力（涂层自身结合强度）。一般说来，涂层自身结合强度高于涂层与基体的结合强度。涂层的结合都属于物理-化学结合，这种物理-化学结合包含以下几种方式：

1）机械结合。喷涂粒子撞击基体表面产生变形、镶嵌、填补、咬合在基体材料表面上，与基体材料形成机械式锚合作用，大部分涂层结合以这种结合方式存在。

2）物理结合。颗粒对基材表面的结合是由范德华力或次价键组成的结合。

3）冶金-化学结合。冶金-化学的结合强度较机械结合和物理结合的强度要大得多。它由三部分组成：范德华力（在洁净的基体表面上，涂层粒子与基材表面的接触处，粒子之间，其原子间距达到原子、分子距离时所形成分子间的引力）；化学键力（涂层原子与基材原子或者涂层粒子之间的原子距达到原子晶格常数的数值时，所形成的化学键的结合力）和微扩散力（涂层粒子中的元素和基体材料中的元素在一定的条件下形成相互扩散作用）。微扩散是涂层材料和基体材料表面出现扩散和合金化的一种结合类型，包括在结合面上形成金属间化合物或固溶体。

同一试件上涂层的结合方式以上三种结合状态有可能同时存在，但以机械结合为主。

涂层结构及优化方法

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