超音速等离子喷涂再制造涂层的结合失效行为与机理研究

表面涂层是再制造的物质载体。涂层质量对再制造零件质量具有决定性作用，涂层质量中又以其结合强度最为引人关注，而涂层/基体界面在尖压载荷作用下的损伤行为研究和机理分析是实现准确测量涂层结合强度的基础。目前，由于现有压入设备（主要是各种硬度计）自身功能限制和涂层在压头作用下的响应行为不明确等原因，尚无对涂层界面力学行为的有力解释。本研究力图建立和完善涂层在尖压载荷作用下的损伤机制。在压入过程中辅以声发射技术，对不同韧脆性的涂层进行压入试验，提取并分析涂层界面开裂或翘曲的声发射信号。针对声发射信号分散、易受干扰、指代意义不明确等问题，创造性地提出引入Weibull分布、高斯分布等现代数学处理方法和小波分析、神经网络分析等信号分析手段，力争建立信号与界面开裂或翘曲的直接关系。结合先进的表界面表征手段，深入分析涂层的损伤行为，揭示涂层损伤机理，最终实现对结合强度的准确检测。

表面涂层是再制造的物质载体。涂层质量对再制造零件质量具有决定性作用，涂层结合强度是评价涂层质量的重要指标，目前测量结合强度的方法不便捷，工艺过程不易精准控制。为此本课题提出尖端压入法和声发射技术相结合评价涂层结合强度。基于超音速等离子喷涂技术，研究了涂层成形中的基础问题；尖端载荷下涂层裂纹的萌生、扩展及断裂与压头尖端作用响应机制，并提取、辨别和分析该过程的声发射信号。.在涂层成形的基础研究中，本课题利用响应曲面法，研究了离子气与电参数配比对超音速等离子射流特性和涂层成形的影响，分析了喷涂参数与射流、涂层性能相联系的共性问题，首次提出了以CPSP参数（喷嘴喉口处能量密度和气流密度比值）反映离子气、电参数匹配对射流加热、加速能力的影响，基于CPSP参数和各种涂层材料的理化特点，优化喷涂工艺并制备了典型涂层。.提出了静载荷压入和冲击载荷压入两种尖端压入方法。采用静压法研究了较薄（＜0.2mm）的延性金属涂层和脆性陶瓷涂层在尖端载荷不同压入条件下的响应机制。优选出声发射信号中的幅度表征涂层内部裂纹萌生至断裂失效过程，能量计数作为涂层断裂失效的临界判据。利用小波分析对声发射信号进行降噪和提取分析，基于Weibull分布分析了声发射能量突变值分布，并将能量突变值与涂层界面结合强度进行回归分析，建立了二者的数学关系，对模型进行了分析与验证。.针对静载荷压入的不足（包括：可测量的延性金属涂层较薄（<0.2mm）；需加载的静压力大（>1000kg）；压入设备体积较大；仅能测试平板类小尺寸试件），创造性提出了冲击压入法，即尖端压头在冲击载荷下作用于涂层。研究表明：尖端冲击载荷下涂层失效机制以界面开裂为主，脆性涂层伴有涂层断裂。优选出声发射信号的能量计数与波形电压表征涂层的结合强度，其中能量计数观察方便，但容易产生较大的误差，波形电压较精确，但观察较复杂。通过对声发射信号样本数据进行K-mean聚类分析，可快速评估涂层结合强度。.设计制作了结构简单、操作便捷、可获得稳定可靠声发射信号的落锤式压入设备和弹簧式便携压入设备，其中弹簧式压入设备对待测试件的形状、尺寸、压入位置无特殊要求，更具备灵活性、便捷性。.总之，通过研究涂层的损伤行为，提取和分析声发射信号，揭示并建立了涂层结合强度、声发射信号和涂层界面开裂的直接关系。弹簧式便携压入设备的研制为实现涂层结合强度的现场检测提供了一种新的方法。