張帥,董霞,王恪典,凡正杰,梅雪松,王汝家

(1.西安交通大學(xué)陜西省智能機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安;2.西安交通大學(xué)機(jī)械制造與系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安;3.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,710049,西安)

受高溫合金的熔點(diǎn)、表面腐蝕和應(yīng)力斷裂等限制,提高渦輪進(jìn)氣溫度越來越困難。在高溫合金表面制備高性能的熱障涂層(TBCs),將合金與高溫火焰隔離,可以降低合金溫度,保護(hù)合金基體[1]。目前,工業(yè)上常用等離子噴涂法制備氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯涂層(YSZ)[2],該涂層呈現(xiàn)典型的層狀結(jié)構(gòu),孔隙率高且有大量的微裂紋,化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)不均勻,嚴(yán)重限制了其應(yīng)用范圍和使用壽命[3-5]。

激光與材料之間的相互作用,可以快速有效地改變材料的形貌特征以及應(yīng)用特性[6-7],激光重熔就是一種利用快速移動的高能熱源將材料熔化并凝固的表面改性技術(shù)。將激光重熔應(yīng)用于等離子噴涂涂層的后處理,可有效改善涂層質(zhì)量,消除涂層的層狀堆積結(jié)構(gòu)[8],降低氣孔率,減小表面粗糙度[9-10],有助于形成均勻的柱狀晶組織。Morks等對YSZ涂層進(jìn)行激光重熔,發(fā)現(xiàn)重熔層中晶粒尺寸范圍為2～7 μm,且晶粒尺寸越小,涂層硬度越大[11]。

對激光重熔熱障涂層的研究中,大部分學(xué)者采用的是單道次激光重熔,而少數(shù)大面積加工涂層的實(shí)驗(yàn)中,搭接率往往采取的是經(jīng)驗(yàn)值[12-13]。經(jīng)過激光重熔后,涂層表面不可避免地會產(chǎn)生網(wǎng)狀微裂紋、凹坑等缺陷,而裂紋的存在,可以使應(yīng)力得以釋放,同時氧也可以沿著裂紋進(jìn)入涂層內(nèi)部。Park等采用脈沖激光器對等離子噴涂YSZ熱障涂層進(jìn)行單道加工,發(fā)現(xiàn)隨著激光能量的增加,裂紋寬度、重熔層深度隨之增大[14]。

在加工過程中,參數(shù)變化意味著熱作用區(qū)的改變[15],當(dāng)有一定的搭接率且相鄰兩道次的時間間隔很短時,重熔涂層的表面裂紋等缺陷也會發(fā)生變化。單道次激光重熔后熱障涂層的抗熱震性能、耐腐蝕性等有明顯提高,Lee等發(fā)現(xiàn)激光重熔YSZ涂層在1 100 ℃時的熱震壽命是未重熔涂層的兩倍[16]。大面積重熔加工后,表面形貌的差異也會引起涂層熱性能的變化,馮浩源通過建立多道搭接激光重熔連續(xù)移動溫度場的有限元模型發(fā)現(xiàn),合理選擇搭接率可以有效減少各掃描道之間熔池的差異,獲取具有良好熱穩(wěn)定性的涂層,但沒有進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[17]。

本文研究了不同搭接率下各激光重熔熱障涂層的形貌、性能特征及其變化規(guī)律,為利用激光重熔技術(shù)進(jìn)行熱障涂層的大面積制備建立基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料及制備方法

熱障涂層基體尺寸為Φ30 mm×2 mm,材料為718鎳基高溫合金,陶瓷層材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%的Y2O3-ZrO2(簡稱7YSZ,AMPERITTM827,H.C.Starck公司),粒度范圍為15～55 μm,黏結(jié)層為NiCoCrAlY,粒度范圍為35～65 μm,粉末的微觀形貌如圖1所示。采用低溫超音速火焰噴涂(HVOF,Low Temperature-High Velocity Oxygen Flame,K2,GTV)制備黏結(jié)層,噴涂工藝參數(shù)如表1所示,包括氣體流量Q1、送粉量v1、燃燒室氣壓p、噴涂距離d1等。采用大氣等離子噴涂(APS,MF-P-1000,GTV,Germany)在黏結(jié)層上制備陶瓷層,噴涂參數(shù)如表2所示,包括電流I、電壓U、送粉量v2、噴涂距離d2等。

(a)7YSZ粉末(b)NiCoCrAlY粉末圖1 制備熱障涂層的原材料

材料Q/L·h-1v1/g·min-1p/MPaO2流量/L·min-1d1/mmNiCoCrAlY134514.9800150

表2 等離子噴涂制備陶瓷層的參數(shù)

利用固體毫秒脈沖激光器(GSI JK300D)對等離子噴涂涂層進(jìn)行重熔,激光器的最大平均功率為300 W,波長為1 064 nm,脈寬范圍為0.2～5 ms,重復(fù)頻率范圍為1～1 000 Hz。多道次激光重熔過程的三維示意圖如圖2所示,加工時保證不同道次重熔層的始端在涂層同一側(cè),從前一道次重熔層末端快速走刀移向下一道次重熔層始端的路徑中關(guān)閉激光,走刀時間為1 s,各樣片均加工4個道次。

圖2 多道次激光重熔過程的三維示意圖

單道次激光重熔過程的主要影響因素有激光能量、脈寬、掃描速度、頻率、光斑直徑。設(shè)計正交實(shí)驗(yàn)獲取優(yōu)化參數(shù),結(jié)果為:激光能量為5.5 J,頻率為50 Hz,脈寬為2 ms,掃描速度為3.5 mm/s,光斑直徑為2.6 mm。以搭接率κ為變量,計算方法如下

式中:l1為單道激光掃描后重熔層的寬度;l2為多道次激光掃描過程中搭接區(qū)域的寬度,如圖3所示。本實(shí)驗(yàn)中設(shè)置κ為0.10、0.15、0.20、0.25、0.30。

圖3 多道次激光重熔涂層的截面示意圖

1.2 形貌觀測與熱震性能分析

利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡對熱障涂層的表面和截面形貌進(jìn)行觀測分析。熱震實(shí)驗(yàn)在箱式電阻爐(由煙臺凱拓電爐科技有限公司生產(chǎn))中進(jìn)行,溫度設(shè)定為1 050 ℃。首先將樣片放入電阻爐中加熱15 min,而后迅速取出并投入15 ℃的水中冷卻3 min,循環(huán)進(jìn)行。每5次熱震過程完成后,烘干樣片,用精度為0.1 mg的分析天平稱量樣片質(zhì)量并記錄,直至涂層表面脫落面積達(dá)到20%及以上,將此時的熱震次數(shù)(n)作為該實(shí)驗(yàn)條件下的熱循環(huán)壽命。

2 結(jié)果與討論

2.1 多道次激光重熔后涂層的表面和截面形貌

從圖4可以看出,經(jīng)過前后兩個道次的激光重熔后,搭接區(qū)域產(chǎn)生一條明顯的分界線,分界線附近的裂紋密度高于其他區(qū)域。網(wǎng)狀裂紋將重熔涂層分割成獨(dú)立小塊,從圖4a～圖4e,各樣片分界線所穿過的獨(dú)立塊數(shù)依次是13、10、9、8、6,因此隨著搭接率的增加,分界線附近區(qū)域的裂紋密度呈下降趨勢,這主要原因如下。

(a)κ=0.10(b)κ=0.15

(c)κ=0.20(d)κ=0.25

(e)κ=0.30 (f)區(qū)域A的放大圖圖4 多道次激光重熔涂層的表面微觀形貌

(1)激光能量在半徑方向上呈高斯分布,作用在邊緣處的能量較弱,單道重熔過后,重熔層截面為類月牙形,單道熔池邊緣熔融涂層量少,熔深小,凝固過程中熔融材料不足,在熱應(yīng)力作用下易產(chǎn)生裂紋。隨著搭接率的增加,搭接區(qū)域由單道熔池邊緣向中心擴(kuò)展,熔深增加,熔融材料不足的現(xiàn)象得以改善,裂紋密度下降。

(2)激光熔化等離子噴涂涂層后,涂層內(nèi)氣孔中的空氣釋放并形成氣泡上升至表面,如果在涂層凝固前不能完全逃離,氣泡所在位置則成為裂紋萌發(fā)敏感區(qū)。

如圖5所示,在大面積激光重熔加工中,搭接區(qū)域內(nèi)包含前一道次重熔層的二次熔化部分,該部分結(jié)構(gòu)致密,無氣泡產(chǎn)生;而搭接區(qū)域所熔化的等離子噴涂部分內(nèi)含有氣泡。

另外,受激光作用的熱影響,重熔層底部殘留等離子噴涂層內(nèi)的氣體會受熱膨脹上升,在熔池內(nèi)形成氣泡,但只有在重熔層深度較小時,該氣泡才可能上升至涂層表面區(qū)域,對裂紋產(chǎn)生影響。隨著搭接率的增加,激光低能量區(qū)逐漸向前一道次重熔層的中心區(qū)域靠攏,二次熔化區(qū)域的寬度和深度增加,搭接區(qū)域的無氣泡區(qū)面積擴(kuò)大,而氣泡區(qū)內(nèi)溫度升高,滯留在涂層表面的氣泡數(shù)量減少,從而降低涂層內(nèi)的應(yīng)力集中水平,導(dǎo)致裂紋密度降低。

如圖4f所示,在搭接區(qū)域易出現(xiàn)凹坑以及沿二次微裂紋發(fā)展形成的微塊。這主要是由于,搭接區(qū)域結(jié)構(gòu)不均勻,在深度方向上依次分布著重熔層和殘留等離子噴涂層,橫截面上涂層熔深存在差異,組織不均勻,裂紋交接致使該處的應(yīng)力集中明顯,在快速凝固過程中致使涂層崩塊而形成凹坑。

如圖3所示,搭接區(qū)域①所在位置接收的激光能量密度小、重熔層厚度薄,區(qū)域②是第1道次重熔層中最接近第2道次重熔區(qū)的位置,區(qū)域③為殘留等離子噴涂層。激光對涂層二次熱作用后,區(qū)域②和區(qū)域③吸收部分能量,發(fā)生膨脹,在隨后的熔池凝固過程中又瞬間冷卻收縮。隨著搭接率的增加,前一道次重熔層中二次熔化區(qū)域的寬度增加,區(qū)域①的面積越來越大;搭接區(qū)域接收的激光能量密度增大,區(qū)域②和區(qū)域③所吸收的熱量增加,變形加劇,進(jìn)而導(dǎo)致涂層凝固后所產(chǎn)生的微缺陷增多,如二次微裂紋等。因此,隨著搭接率的增加,凹坑、微塊等缺陷增多。

圖5 搭接區(qū)域氣泡對涂層的影響示意圖

圖6 多道次激光重熔過程中搭接區(qū)裂紋傳播示意圖

激光作用后,熱障涂層快速熔化又迅速凝固,經(jīng)歷短暫的膨脹與收縮,在周圍物質(zhì)約束、熱應(yīng)力的綜合作用下,表面形成網(wǎng)狀裂紋,并在重熔涂層內(nèi)存留殘余應(yīng)力。如圖6所示,當(dāng)下一道次的激光作用在熱障涂層表面時,上一道次重熔層中位于搭接區(qū)域的部分再次熔化,熔池部位的涂層呈現(xiàn)液態(tài)喪失塑性,應(yīng)力接近于0。熔池臨近上一道次重熔層的界面處有裂紋A、B、C、D存在,為了使涂層表面受力狀況得以改善,它們作為應(yīng)力源,將裂紋延伸至新的重熔涂層內(nèi)部。因此,在涂層凝固后,相鄰兩個道次重熔層內(nèi)的裂紋在分界線處相互貫通。

在熱變形以及氣孔和微裂紋的影響下,殘留等離子噴涂陶瓷層的局部開裂敏感性增大,多道次激光重熔后,搭接區(qū)域截面縱向裂紋向涂層深度方向擴(kuò)展并發(fā)生分岔和偏轉(zhuǎn),如圖7所示,其偏轉(zhuǎn)角度如表3所示,當(dāng)搭接率為0.20,裂紋偏轉(zhuǎn)的角度θ最大,達(dá)到58.9°,當(dāng)搭接率為0.30時,偏轉(zhuǎn)角度最小。在本實(shí)驗(yàn)中,隨著搭接率的增加,截面裂紋的偏轉(zhuǎn)角度先增加后減小。

表3 多道次激光重熔涂層截面縱向裂紋的偏轉(zhuǎn)角度

單道次激光重熔后,網(wǎng)狀微裂紋一般貫穿重熔層,延伸到重熔層和殘留等離子噴涂層的交界面。如圖5所示,多道次激光重熔過程中,在搭接區(qū)域相鄰兩道次之間存在一定寬度的夾留等離子噴涂層,裂紋尖端應(yīng)力的狀態(tài)以及夾留等離子噴涂層的應(yīng)力水平影響著裂紋的延伸和偏轉(zhuǎn)。當(dāng)搭接率從0逐漸增大,傳導(dǎo)進(jìn)入夾留等離子噴涂層內(nèi)的熱量增加,裂紋的偏轉(zhuǎn)驅(qū)動能增大,裂紋偏轉(zhuǎn)角度增加。后一道次熔池凝固收縮時,在重熔層和夾留等離子噴涂層的界面處產(chǎn)生垂直拉應(yīng)力,該拉應(yīng)力的水平分量影響著裂紋的偏轉(zhuǎn)。隨著搭接率的進(jìn)一步增加,熱影響作用趨于飽和,此時后一道次重熔層和夾留等離子噴涂層界面處的應(yīng)力水平分量對裂紋的偏轉(zhuǎn)起主要作用,該處的應(yīng)力水平分量隨著搭接率的增加而減小,因此裂紋偏轉(zhuǎn)角度隨之減小。

(a)κ=0.10 (b)κ=0.15 (c)κ=0.20

(d)κ=0.25 (e)κ=0.30 (f) 搭接區(qū)域外 重熔層形貌圖7 多道重熔涂層搭接區(qū)域的截面形貌

2.2 激光重熔后涂層的抗熱震性能

2.2.1 熱震實(shí)驗(yàn)后涂層的表面微觀形貌 從圖8可以看出,經(jīng)過熱震實(shí)驗(yàn)后,重熔涂層表面裂紋的平均寬度明顯減小。利用ImageJ軟件對電鏡圖中熱震前后重熔涂層表面裂紋的寬度進(jìn)行測量,裂紋在熱震前的平均寬度為10 μm,熱震后平均寬度減小為5 μm。一方面,利用激光對等離子噴涂涂層進(jìn)行重熔后,涂層表面形成具有一定厚度的柱狀晶組織,如圖8f所示。反復(fù)的高溫保存和快速冷卻,由于陶瓷層和黏結(jié)層熱膨脹系數(shù)不匹配,在涂層內(nèi)部產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力。柱狀晶在熱應(yīng)力的作用下沿著晶界和裂紋移動,使部分熱應(yīng)力得以有效吸收和釋放。另一方面,重熔涂層在熱震過程中會產(chǎn)生不可逆的變形,使獨(dú)立重熔塊間產(chǎn)生位移,會造成裂紋寬度減小。

熱震后,涂層表面出現(xiàn)大量凹坑,大部分是由微塊脫落所致,微塊和底部陶瓷層接觸面小,結(jié)合強(qiáng)度弱,熱震過程中,在變形應(yīng)力和熱不匹配應(yīng)力的作用下很容易脫落。搭接區(qū)域涂層質(zhì)量較差,存在大量微塊,熱震后搭接區(qū)域微快脫落,致使凹坑的數(shù)量高于其他區(qū)域。當(dāng)搭接率為0.20時,熱震后重熔涂層在搭接區(qū)域出現(xiàn)的部分凹坑是由毗鄰區(qū)域涂層大塊脫落所致。

(a)κ=0.10(b)κ=0.15

(c)κ=0.20(d)κ=0.25

(e)κ=0.30 (f)重熔層的斷面形貌圖8 熱震實(shí)驗(yàn)后涂層脫落面積超過20%時 各樣片的表面微觀形貌

2.2.2 熱震實(shí)驗(yàn)后涂層的宏觀形貌及質(zhì)量分析 從圖9可以看出,在熱震實(shí)驗(yàn)中,對于多道次激光重熔涂層來說,搭接率為0.20的樣片涂層脫落面積先達(dá)到10%,緊隨其后的樣片搭接率依次是0.15、0.25、0.10、0.30的重熔涂層。隨著熱震實(shí)驗(yàn)的繼續(xù),當(dāng)涂層脫落面積達(dá)到20%以上時,搭接率依次是0.20、0.15、0.25、0.10、0.30的重熔涂層,對應(yīng)的熱震次數(shù)越來越多。由這一宏觀結(jié)果判斷,5組樣片中搭接率為0.30的激光重熔涂層的熱循環(huán)壽命最長。

圖9 1 050 ℃下各涂層樣片的熱震次數(shù)統(tǒng)計

如圖10所示,樣片經(jīng)過多道次激光重熔加工后,邊緣處仍然殘留有少量的噴涂涂層,在噴涂層和重熔層的交界處存在裂紋。另外,如圖11所示,重熔涂層端部質(zhì)量較差,由于激光在單道重熔結(jié)束后馬上關(guān)閉,而單次熔道端部的熔池相比其他部位擁有更大的冷卻速度,同時熔液快速凝固收縮的過程中,沒有充足的熔融材料補(bǔ)充,致使涂層表面在凝固結(jié)束后產(chǎn)生網(wǎng)狀裂紋,粗糙度較大。等離子噴涂涂層熔化成液態(tài)后,內(nèi)部空氣釋放并形成氣泡,氣泡在上升過程中聚集合并,在涂層凝固之前滯留在重熔層表面,形成大量凹坑,因此在熱震實(shí)驗(yàn)中,邊緣和端部的涂層率先脫落。

圖10 多道次激光重熔后涂層的邊緣形貌

圖11 重熔涂層的端部形貌

如圖12所示,當(dāng)搭接率為0.20的激光重熔涂層在熱震39次、脫落面積達(dá)到10%時,其他4組樣片表面的重熔涂層基本保持完好。溫度對熱障涂層壽命的影響非常大[18],一方面高溫情況下熱生長氧化物在陶瓷層和黏結(jié)層交界面處生長得更快;另一方面突然淬冷后熱應(yīng)力不易釋放,從而在涂層中產(chǎn)生更大的殘余熱應(yīng)力,加快涂層在熱震過程中的脫落。

隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行,沿著涂層初次脫落的位置,在氧化物的生長應(yīng)力和熱應(yīng)力的綜合作用下,脫落區(qū)域逐漸向中心區(qū)域擴(kuò)展,在接近失效的幾次熱循環(huán)中,涂層開始出現(xiàn)大塊脫落的現(xiàn)象。如圖13所示:當(dāng)涂層脫落面積達(dá)到20%及以上時,最后一次熱循環(huán)中所脫落的涂層面積,致使搭接率為0.25的涂層只剩下不足35%的涂層面積;搭接率為0.15及0.20的重熔涂層表面殘留的涂層面積僅接近50%;搭接率為0.10的重熔涂層較好;搭接率為0.30的涂層在這5組樣片中表現(xiàn)最佳,僅端部和邊角脫落,其他部位基本完好。

圖12 實(shí)驗(yàn)中搭接率為0.20的重熔涂層脫落面積 為10%時各涂層的表面形貌

圖13 實(shí)驗(yàn)后脫落面積達(dá)到20%以上時各涂層的 表面形貌

從圖14可以看出,在熱震實(shí)驗(yàn)前期,各樣片的涂層質(zhì)量有短暫的小幅度增長,這主要是由于高溫環(huán)境下涂層中的金屬元素氧化,在陶瓷層和黏結(jié)層結(jié)合面處形成熱生長氧化物。熱震前期,在涂層邊緣和端部等質(zhì)量較差的部位有小塊脫落,同時涂層的氧化不斷進(jìn)行,因此樣片質(zhì)量在很小的范圍內(nèi)上下波動。實(shí)驗(yàn)后期,涂層大塊脫落失效,樣片質(zhì)量迅速減小,此時樣片質(zhì)量隨熱震次數(shù)變化的速率按照從大到小排列,其搭接率依次是0.25、0.20、0.15、0.10、0.30。綜上可以看出,在失效階段,搭接率為0.30的重熔涂層脫落速率最小。

圖14 熱震實(shí)驗(yàn)過程中樣片涂層質(zhì)量隨熱震次數(shù)的變化

經(jīng)過多道次激光重熔后,搭接區(qū)域結(jié)構(gòu)的改變影響著涂層的熱震性能。本實(shí)驗(yàn)中,隨著搭接率的增加,樣片的熱循環(huán)壽命先減小后增加。影響重熔涂層熱障性能的因素有多方面,概括起來主要有裂紋密度、裂紋偏轉(zhuǎn)角度及其微塊、凹坑等。

凹坑、微塊對涂層熱震性能的影響表現(xiàn)在兩個方面:首先,凹坑的存在,使氧得以更快捷地進(jìn)入涂層內(nèi)部,黏結(jié)層氧化加劇,加速涂層的破壞,但是本實(shí)驗(yàn)熱循環(huán)周期較短,故不考慮熱生長氧化物對涂層失效的影響;其次,重熔層裂紋交接處往往應(yīng)力較為集中,此處的微塊容易脫落形成凹坑,有利于減小涂層中的應(yīng)力集中,降低涂層的整體殘余應(yīng)力水平。因此,凹坑的存在能一定程度釋放涂層中的殘余熱應(yīng)力、提高涂層的應(yīng)變?nèi)菹?改善涂層的熱震性能。由前述可知,凹坑、微塊隨著搭接率的增加而增加,當(dāng)涂層搭接率為0.30時,微塊和凹坑的數(shù)量最多,有利于提高樣片的熱循環(huán)壽命。

圖15 大面積激光重熔涂層熱震失效示意圖

裂紋密度越高,涂層在膨脹收縮的變形過程中可移動的方向增加,應(yīng)力也就釋放得越多。在搭接區(qū)域,表面裂紋密度隨著搭接率的增加而減小,僅從表面裂紋密度考慮,大的搭接率不利于延長涂層熱震壽命。但是,經(jīng)過多道次激光重熔后的熱障涂層,搭接區(qū)域截面縱向裂紋進(jìn)一步向陶瓷層深處延伸,并發(fā)生偏轉(zhuǎn)。重熔層底部為殘留等離子噴涂涂層,存在大量氣孔和微裂紋。熱震過程中,涂層受熱膨脹,并在內(nèi)部產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力,縱向裂紋得以繼續(xù)擴(kuò)展,因氣孔和微裂紋處阻力較小,縱向裂紋在擴(kuò)展過程中優(yōu)先向氣孔和微裂紋中發(fā)展。殘留等離子噴涂層本身就是層狀結(jié)構(gòu),縱向裂紋的延伸和偏轉(zhuǎn)嚴(yán)重破壞了噴涂層中各部分之間的結(jié)合性能。

如圖15所示,在熱循環(huán)過程中,縱向裂紋不斷延伸,并和裂紋①、裂紋②、孔隙③連接在一起,由此產(chǎn)生水平裂紋?？v向裂紋的偏移角度越大,橫向裂紋發(fā)展得越快,當(dāng)水平裂紋和截面縱向裂紋連通并將獨(dú)立涂層塊包圍時,涂層就會脫落,并且裂紋密度越大時,水平裂紋和縱向裂紋越容易貫通在一起,導(dǎo)致涂層塊脫落。

因此,綜合考慮表面裂紋密度和截面裂紋的延伸偏轉(zhuǎn),在本實(shí)驗(yàn)中,截面裂紋的延伸偏轉(zhuǎn)占主導(dǎo)作用,由前述所知,隨著搭接率的增加,熱障涂層搭接區(qū)域截面裂紋的偏轉(zhuǎn)角度先增加后減小。其中,搭接率為0.30的重熔涂層,縱向裂紋偏移角度最小,熱循環(huán)壽命最長;搭接率為0.25時,縱向裂紋偏移角度最大,熱循環(huán)壽命最短。由于搭接區(qū)域是水平裂紋的主要萌生區(qū),因此在對熱障涂層進(jìn)行激光重熔時,需要控制好搭接率和激光能量密度,減小縱向裂紋的深度和偏轉(zhuǎn)角度,這樣才能提高涂層的使用壽命。

3 結(jié) 論

本文以搭接率為變量,采用激光重熔技術(shù)對等離子噴涂涂層進(jìn)行表面改性,并對各重熔涂層的組織形貌和熱震性能作相應(yīng)地探討,得出以下結(jié)論。

(1)經(jīng)過多道次激光重熔加工后,前后兩個道次重熔層的裂紋在分界線處相互貫通,分界線附近的裂紋密度隨著搭接率的增加而下降。在分界線附近裂紋交匯處容易形成凹坑、微塊等缺陷,且缺陷數(shù)目隨著搭接率的增加而增加。搭接區(qū)域的截面縱向裂紋向涂層深處延伸并發(fā)生偏移,隨著搭接率的增加,截面裂紋的偏轉(zhuǎn)角先增加后減小,搭接率為0.30時,偏移角最小。

(2)熱震后,重熔涂層表面裂紋的平均寬度減小至5 μm,且表面出現(xiàn)大量的凹坑,其中大部分由微塊脫落所致,而搭接率為0.20的重熔涂層在搭接區(qū)域的部分凹坑是由毗鄰區(qū)域的大塊脫落所導(dǎo)致的。

(3)在1 050 ℃的熱震實(shí)驗(yàn)中,隨著搭接率的增加,樣片的熱循環(huán)壽命先減小后增加,搭接率為0.30的重熔涂層的熱循環(huán)壽命最長。重熔涂層首先從邊緣以及熔道端部開始脫落,而后逐漸向中間區(qū)域擴(kuò)展;失效階段涂層質(zhì)量減少速率最小的是搭接率為0.30的重熔涂層。搭接區(qū)域截面縱向裂紋的偏轉(zhuǎn)會嚴(yán)重破壞涂層各部分之間的結(jié)合性能,加速水平裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展,偏轉(zhuǎn)角越小,越有利于提高重熔涂層的熱循環(huán)壽命。