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激光织构改性等离子喷涂高熵涂层的强化研究

激光织构；等离子喷涂；高熵涂层；界面强化

目前，等离子喷涂高熵涂层的界面结合是决定长效服役的关键问题。为确保涂层长效服役，必须提高涂层抗脱落失效能力。喷砂预处理是应用最广泛的技术，但易造成微裂纹、夹砂等缺陷，局限了涂层结合强度并降低了服役寿命。因此，急需一种新技术替代传统喷砂。激光表面织构作为大气等离子喷涂涂层基体表面预处理的新方法，并显著提高了涂层的界面结合强度。与传统的喷砂方法相比，该技术具有环保、可控、高效、限制性小和热影响小等优点。本研究采用具有高斯能量分布的圆形激光束SPIG3光纤激光器加工不锈钢基体织构图案，最大平均功率为20W，波长为1.064μm，脉冲持续时间为200ns。涂层填充织构是由许多小熔滴片层堆叠形成。熔滴在织构内的铺展和凝固过程包括流体流动、凝固、传热和孔隙，并且涉及的微观物理现象非常复杂。基于涂层结合强度、填充质量及加工效率分析了槽和坑型织构，确定了槽织构更适合辊体；利用正交试验法分析了激光功率、扫描速度和频率对槽宽和槽深影响；喷涂功率、喷涂距离、送粉率和主气流量对涂层结合强度的影响，并获取了最优工艺参数组合；结果表明激光功率和扫描速度使槽深增幅97.62%和降幅128.57%，喷涂功率和喷涂距离使涂层结合强度降幅29.59%和变化幅度35.27%；提出了织构槽开口角概念，构建了扫描次数与槽宽和开口角的预测模型，扫描次数小于7的织构槽适合与喷涂涂层匹配。利用拉脱和划痕试验测量织构和喷砂基体涂层结合强度，结果表明扫描5次间距100 μm基体涂层比喷砂基体涂层结合强度提高49.7%，划痕平行和垂直结合强度分别提高41.32%和17.56%，受力角与凹槽平行时涂层划痕结合强度高，织构涂层附着强度可高于内聚强度；利用ImageJ软件计算织构涂层单位接触面积增加46.3%；火山口的存在提高结合强度83.37%，预热温度太高或太低都不利于涂层结合；建立了涂层结合强度与预热温度、扫描次数和槽间距的关系预测方程；利用能谱仪、X射线衍射和数值模型揭示了界面结合机理，构建了化学-冶金结合层厚度预测数学模型，槽界面顶、中和底的化学-冶金层逐渐变薄且高于喷砂。