Q235钢表面电弧喷涂铝涂层的断裂机理研究

时间：2017-07-06 23:25:53 来源：材料保护作者：张林，所新坤，陈秀勇，李华，程旭东

摘要：对涂层结构断裂机理的研究是保证高厚度热喷涂涂层安全和稳定的关键。在Q235钢表面高速电弧喷涂不同厚度的铝涂层。对涂层试样进行三点弯曲试验，考察了涂层在受拉、受压及同时受拉力和压力情况下的力学性能，通过扫描电镜观察试样的断裂行为，并通过梁弯曲理论单面、双面涂层2种方法计算了涂层的弹性模量。结果表明:当涂层厚度小于800μm时，涂层/基体结构弯曲强度好于基材;随着弯曲应变的增加，裂纹开始出现在涂层表面并逐渐沿着涂层厚度方向进行扩展，到达涂层内部靠近界面的位置，裂纹沿着试样长度方向向两侧不断扩展，最终涂层脱落;梁弯曲法单、双面法计算得到的涂层弹性模量相近，但与基材相差较大，这主要受涂层自身结构影响。
关键词：电弧喷涂，铝涂层，三点弯曲试验，弹性模量，断裂行为，Q235钢

0 前言

    增材制造技术又称3D打印，是以数字模型为基础，将材料逐层堆积制造出实体物品的一种新兴制造技术^[1]。目前，增材制造技术的应用及研究十分广泛，主要集中在航空航天、电子、医疗等领域精密零件的加工和修复^[2]。
    热喷涂技术具有沉积效率高、加工场地限制小、喷涂材料局限少等优点，被认为在增材制造方面极具应用前景^[3]。目前热喷涂增材制造技术制备的高厚度涂层的突出问题是在工作条件下易出现涂层裂纹，甚至脱落。因此，对涂层结构断裂机理的研究是保证高厚度热喷涂涂层安全和稳定的关键，同时也对热喷涂增材制造产业化应用具有重大意义。
    本工作采用高速电弧喷涂在Q235钢表面制备不同厚度的铝涂层，通过三点弯曲试验测试了Q235钢表面电弧喷涂不同厚度铝涂层在不同应力状态下的力学性能，采用场发射扫描电镜观察弯曲测试前后涂层表面和截面形貌，并结合梁弯曲理论计算涂层的弹性模量值，初步揭示了铝涂层的失效机理。

1试验

1．1试材
    基材为Q235钢，线切割成95．0mm×20．0mm×2．8mm。采用60目黑刚玉喷砂对基体进行粗化处理，压缩空气吹净后在丙酮中超声清洗除油，冷风吹干备用。
    喷涂材料为Φ2mm铝丝材，纯度为99%以上。
1．2涂层制备
    电弧喷涂设备为TLAS-500C高速电弧喷涂系统，电弧喷枪固定在ABB六轴机械手上。为研究基体上不同厚度涂层在三点弯曲试验条件下的弯曲力学行为和失效行为，采用电弧喷涂工艺在Q235钢上单面或双面电弧喷涂厚度分别为400，800，1200μm的铝涂层，电弧喷涂参数为电压25V，电流100A，喷涂距离150mm，压缩空气压强0．5MPa。
1．3测试分析
     (1)涂层厚度采用DM2500M光学显微镜准确测量喷涂层厚度，每组试样共5个，每个样品选取10个位置测量，取平均值作为样品的厚度。
     (2)力学性能为了研究涂层/基体结构受到压缩、拉伸条件下的形变和失效方式，使用Instron5567万能材料试验机按照GB/T232－2010对样品进行三点弯曲试验，按图1中三点弯曲状态测量其载荷-位移曲线。连续施加载荷，加载速度1mm/min，两支点之间跨距为60mm。载荷-位移曲线由相应的软件记录。通过试验机自带软件计算涂层/基体的弹性模量。
     (3)梁弯曲法测量涂层弹性模量热喷涂涂层在实际使用过程中常出现从基体上脱落，或涂层从内部开裂，这些情况都将会导致涂层功能的丧失，因此涂层与基体之间的结合状态直接决定涂层能否正常使用^[4]。有必要对涂层界面断裂机理进行研究，来评定涂层的结合强度。而弹性模量是材料的重要性能指标，是研究材料的断裂行为的基本参量。
    采用Xu等^[6]针对单侧涂层(受压力，适用于图1a的情况)的情况，推导出该条件下三点弯曲测试单侧涂层弹性模量的方法:
    与单面涂层弯曲试样相比，Fawcett认为双面涂层试样的测量精度更高。主要原因有以下两点:①双面涂层总厚度与基体的比值要大一些，所以测量结果相对精确;②双面涂层在三点弯曲条件下涂层同时受到压应力和拉应力作用，而单面涂层的受力只有两者之一。
     (4)形貌试样弯曲后经过金刚石切割，砂纸打磨、抛光后，采用FEIQuantaFEG250场发射扫描电镜(SEM)观察形貌。

2结果与讨论

2．1涂层的微观组织结构
    图2为不同厚度铝涂层的表面和截面形貌，由于涂层表面形貌主要与喷涂参数相关，与厚度关系不大，故表面形貌只取厚400μm涂层的进行分析。由图2可知:电弧喷涂试样表面呈鳞片层状分布;这是由于被雾化的熔滴受气体压力影响，在接触基体瞬间形成不规则分布的缘故;从3种试样的断面形貌可以看出铝涂层致密，孔隙率低，存在少量孔洞缺陷。 2．2涂层断裂形貌
    三点弯曲试验可分为3个明显的阶段:(1)起始阶段，随着载荷的增加，最初的裂纹(主裂纹)开始形成(2)随着应力的增加，裂纹逐渐增多，由位错和裂纹塞积汇集后形成较大裂纹，但发展到晶界面时，由于涂层的层状堆积结构，晶界起到消去裂纹应力的作用，低应力下裂纹不会扩展到基体位置，涂层仍然有一定的保护作用;(3)比较大的应力下，裂纹不会再继续增加，这时主要是裂纹之间的合并，直至扩展到基体^[7]。
    图3为涂层三点弯曲试验(受拉状态)前后的SEM形貌，涂层厚度为1200μm。
    弯曲后在涂层表面出现长长的平行于试样宽度方向的裂纹(图3a，3b)。这是因为喷涂过程中存在氧化问题，特别是在表面区域易形成脆性结构，这是裂纹最开始出现在表面的原因^[8]。涂层失效的主要原因是涂层和基体材料力学性能之间存在的巨大差异导致的高塑性应变率，从而引发了早期裂纹的产生并且裂纹沿着界面扩展。而且由于涂层和基体是机械结合，涂层和基体界面结合强度低于涂层之间的结合强度，这也可能使涂层失效。弯曲试验后，涂层与基体间出现微裂纹(图3c)。随着弯曲应变的不断增加，当累积的剪切压力通过界面从基体传播到涂层并且涂层的拉伸强度达到断裂强度时，在受拉条件下单侧涂层中就会出现微裂纹。裂纹逐渐从施加载荷点向两侧传播，裂纹逐渐增多、加深直至涂层脱落。从图3d可以看出:裂纹是在涂层表面产生的，随着弯曲载荷和应变的增加，裂纹逐渐向涂层内部扩展，在涂层和基体界面附近沿界面向两侧横向扩展，当相邻裂纹扩展相互贯通后，涂层脱落。
2．3弯曲力学行为
    梁弯曲法计算的不同情况下电弧喷涂铝涂层的弹性模量见表1。当涂层厚度与基体比值很大时，2种方法计算的结果很接近，与Fawcett解释原因相符。计算得到的涂层弹性模量远比涂层/基体试样的小，主要原因是涂层/基体试样结构自身的影响。
    应力-应变曲线可以通过载荷-位移曲线计算得到。其中最大弯曲压力可以通过方程σ=3PL(3bh2)计算得到，其中P是最大弯曲载荷，L是跨距，b、h分别为样品的宽度和厚度。图5为3种涂层及基体在不同受力状态下的应力-应变曲线。从图5a可以看出:当涂层厚度为400μm时，试样在3种受力状态下的弯曲强度是大于基体材料的;当涂层的厚度增加到800μm以上时，弯曲强度是小于基体材料的，而且随着厚度增加逐渐减小。由此可见，一定厚度涂层结构具有缓解应力的作用，铝涂层/基体结构相对单一的基体结构具有更好的力学性能。
    通过INSTRON5567材料试验机自带的软件可以计算得到涂层/基体试样的弹性模量E，结果见表2。
    从表2可以看出:在同一厚度下，涂层试样受到压应力和拉应力时的弹性模量基本相同;随着涂层厚度的增加，材料的弹性模量逐渐减小。分析认为，一方面电弧喷涂铝涂层是多孔材料，涂层内部存在孔隙等缺陷，这些缺陷降低了整体结构的弹性模量;另一方面随着涂层厚度的增加，较低弹性模量的铝涂层在该双层结构中占据的比例逐渐增加，使得整个体系的名义弹性模量逐渐降低。

3结论

     (1)涂层/基体受到压应力时发生弹性塑性转变的力大于受到拉应力时;通过应力-应变曲线发现:当涂层厚度小于800μm，涂层/基体结构的弯曲强度好于基体材料，主要原因是层状堆积而成的涂层的微观结构具有一定缓解应力作用。
     (2)涂层在弯曲条件下，在涂层表面开始形成裂纹，随着弯曲应变的增加，铝涂层表面裂纹逐渐增多，当弯曲应力达到一定值时，裂纹数目不再增加而是开始沿涂层厚度方向扩展，当裂纹扩展到靠近界面位置时裂纹逐渐沿着界面向两侧扩展，当裂纹相互贯穿时涂层就开始出现开裂或脱落。
     (3)通过梁弯曲单面、双面法得到的涂层弹性模量相近，但与基材的相差较大，主要是受到涂层/基体试样自身结构的影响。

参考文献

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