超声深滚静压力技术：对金属陶瓷涂层的处理有怎样的影响？

文|芝士派讲解员

编辑|芝士派讲解员

金属陶瓷涂层是一种新型的表面涂层材料，具有高强度、高硬度、高耐磨性、高温稳定性和良好的耐腐蚀性能等优点，在航空、航天、汽车、电子等领域得到了广泛应用。

金属陶瓷涂层的制备过程中，由于涂层的复杂组成和结构，往往会出现一些问题，如涂层的结合强度不足、涂层表面粗糙、陶瓷颗粒分散不均等，这些问题严重制约了涂层的应用效果和使用寿命。

究竟怎样才能解决这些问题呢？

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实验材料

本研究使用的实验材料为金属基陶瓷涂层材料，其中金属基材料采用了钛合金，涂层材料采用了氧化铝，钛合金作为一种高强度、高温、高耐蚀性的金属材料，广泛应用于航空、航天、能源等领域，是金属陶瓷涂层的重要基材，氧化铝作为一种常见的陶瓷材料，具有优异的高温抗氧化、耐磨性能，是金属陶瓷涂层常用的涂层材料之一。

为了制备金属基陶瓷涂层材料，我们采用了等离子喷涂技术，在此过程中，使用了氩气等离子喷涂枪和预制的陶瓷涂层粉末，将陶瓷涂层粉末加热熔融后喷涂在钛合金基材上，涂层材料的厚度为100微米。

为了进行超声深滚静压力实验，我们选用了一台超声深滚静压力机，该机器采用了高频超声振动和滚动摩擦的相互作用，可以对金属材料进行大量形变和塑性变形，达到改变材料微观组织和性能的目的，在实验过程中，我们将金属基陶瓷涂层材料放置在超声深滚静压力机上，施加不同的压力和振幅，进行涂层微观组织结构的变化研究。

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实验方法

实验方法是本研究的核心之一，本实验采用超声深滚静压力技术对金属陶瓷涂层进行处理，具体步骤如下：

首先，制备合适的试样，选取经过打磨和清洗的316L不锈钢作为基材，涂上厚度为100μm的TiO2-Al2O3金属陶瓷涂层，并将其进行固化。

接下来，进行超声深滚静压力处理，将试样置于超声深滚静压力处理设备中，设置超声波频率为20kHz，处理温度为500 ，处理时间为30min，处理压力为10MPa，通过超声波的作用和滚动摩擦的力量，使得涂层表面发生塑性变形和晶界拓展，进而影响其微观组织结构。

随后，对处理后的试样进行各项测试，采用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和X射线衍射（XRD）等技术对试样的微观结构、晶粒尺寸和晶界情况进行分析，同时，对试样的结合强度和耐磨性能进行测试和评估。

最后，将实验结果进行统计和分析，并进行合理的解释和说明，通过对实验结果的深入分析，进一步探讨超声深滚静压力对金属陶瓷涂层微观组织结构的影响机理，为相关领域的研究提供新的思路和方法。

实验设计是本研究的核心之一，为了探究超声深滚静压力对金属陶瓷涂层微观组织结构的影响，我们采用了下面的实验设计。

首先，我们选择了一种常见的金属陶瓷涂层材料作为研究对象，并制备了一批标准样品，然后，我们分别采用不同的超声深滚静压力值对标准样品进行处理，这些超声深滚静压力值分别是0 MPa、10 MPa、20 MPa、30 MPa和40 MPa。

对于每个处理条件，我们设置了三个重复实验，在每次实验之前，我们都会对处理前后的标准样品进行显微结构和化学成分的分析，以确保每次实验的样品具有相似的基础特性。

在实验过程中，我们采用了一台精密的超声深滚静压力机，通过调节超声波的振幅、频率和时间等参数来控制超声深滚静压力的大小，在处理完标准样品之后，我们进行了一系列性能测试，包括涂层结合强度的测试、涂层耐磨性能的测试等。

我们对实验结果进行了统计分析和对比，得出了超声深滚静压力对涂层微观组织结构的影响情况以及涂层性能变化的规律。

通过这样的实验设计，我们可以系统地研究超声深滚静压力对金属陶瓷涂层微观组织结构的影响，探究涂层性能变化的规律，为涂层材料的开发和改进提供参考。

超声深滚静压力是一种重要的表面加工技术，已经被广泛应用于金属材料的表面改性和涂层的制备中，近年来，越来越多的研究表明，超声深滚静压力对涂层的微观组织结构有着显著的影响。

实验结果表明，超声深滚静压力可以有效地改善涂层的致密性和结晶度，提高涂层的结合强度和硬度，同时，超声深滚静压力还可以显著地影响涂层中晶粒的尺寸和分布，进一步改善涂层的力学性能和耐磨性能。

具体来说，超声深滚静压力的作用机理主要包括以下几个方面，首先，超声波的作用可以导致涂层表面的微观形貌发生变化，从而影响涂层的致密性和结晶度。

超声波的作用还可以促进涂层中晶粒的再结晶和晶粒尺寸的均匀化，提高涂层的结晶度和硬度，此外，超声波的作用还可以改善涂层的成分分布和化学键结构，从而提高涂层的力学性能和耐磨性能。

在实验研究方面，通常会采用SEM、TEM等显微技术对超声深滚静压力处理前后的涂层微观结构进行观察和分析，同时还需要对涂层的力学性能和耐磨性能进行测试和分析。

实验结果表明，超声深滚静压力处理可以显著提高涂层的力学性能和耐磨性能，从而为涂层的制备和表面改性提供了一种新的途径。

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测试与分析

涂层结合强度是表征涂层附着性能的重要指标，也是评价涂层在使用中的耐久性和可靠性的关键因素之一，在本研究中，我们采用剪切测试法对涂层结合强度进行了测试。

剪切测试法是一种常见的涂层结合强度测试方法，通过施加一定的剪切力来评估涂层与基材之间的附着性能，在实验中，我们首先将涂层样品与基材牢固地固定在测试机上，然后施加垂直于涂层表面的剪切力，直至涂层与基材发生剪切分离，测试过程中，需要注意施力方向和速度的控制，以及剪切力的计量和数据采集。

根据实验结果，我们发现，在高温环境下施加超声深滚静压力后，涂层结合强度明显提高，这与涂层微观组织结构的变化有关，超声深滚静压力能够在涂层表面产生强烈的塑性变形，形成微观孔洞和凸起，从而增加了涂层与基材之间的接触面积，提高了涂层的结合强度。

超声深滚静压力还能促进涂层中晶粒的再结晶和均匀化，有利于提高涂层的力学性能和耐磨性。

综上所述，涂层结合强度的测试结果与涂层微观组织结构的变化密切相关，超声深滚静压力是一种有效的提高涂层结合强度和性能的工艺手段。

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性能测试与分析

涂层的耐磨性能是衡量其实际应用价值的重要指标之一，在本研究中，我们采用了球-盘磨损试验法对涂层的耐磨性能进行测试和分析，该方法可以模拟实际工况下的磨损过程，是涂层磨损性能评价的重要手段之一。

在球-盘磨损试验中，将磨损试样放置在盘中，然后以一定速度旋转球体，使其滚动在涂层表面上，由此产生磨损，在试验过程中，通过记录磨损试样的质量损失和球体磨耗量，可以评估涂层的耐磨性能。

也可以通过磨损试样的表面形貌变化和磨痕形貌分析来深入了解涂层磨损机理和磨损特性。

为了准确评估涂层的耐磨性能，我们对磨损试验的参数进行了优化和控制，具体而言，我们通过调节球-盘磨损试验的载荷、转速、时间等参数，使其尽可能地模拟实际工况下的磨损过程。

我们还对磨损试样进行了预处理，以确保涂层与基材之间的结合强度足够高，避免在试验过程中由于结合强度不足而导致涂层剥离。

通过对磨损试样的质量损失、磨耗量、表面形貌变化和磨痕形貌分析，我们可以得到涂层的耐磨性能数据和磨损特性，进而评估涂层的实际应用效果，这将为我们更好地了解涂层磨损机理、优化涂层设计和选择最适合的涂层材料提供有力支持。

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影响机理的探讨

超声深滚静压力作为一种新型表面处理工艺，具有很高的应用潜力，在研究中，我们探讨了超声深滚静压力对金属陶瓷涂层微观组织结构的影响机理。

我们发现超声深滚静压力处理可以使涂层表面形貌得到改善，涂层组织结构变得更加致密，涂层中陶瓷颗粒之间的结合强度也得到了显著提高，这是由于超声深滚静压力引起的局部高温和高压条件，使得涂层颗粒之间的材料流动更加顺畅，进而导致涂层的致密性和结合强度的提高。

进一步的，我们还研究了超声深滚静压力对涂层耐磨性能的影响，实验结果表明，经过超声深滚静压力处理的涂层在摩擦磨损实验中具有更好的抗磨性能。

这是由于超声深滚静压力处理使得涂层内部的组织结构更加致密，涂层表面也更加光滑，这些因素共同作用使得涂层具有更好的耐磨性能。

总的来说，我们的研究表明超声深滚静压力处理可以显著提高金属陶瓷涂层的结构致密性、结合强度和耐磨性能。

超声深滚静压力处理机理主要在于通过高温高压条件使得涂层内部材料流动更加顺畅，进而导致组织结构的改善，这一研究结果为金属陶瓷涂层的表面处理提供了新的思路和方法。

参考文献

Cr3C2-NiCr涂层的制备及其抗高温冲蚀磨损性能 罗靖川; 杨冠军; 陈林 材料保护 2022-07-15

超音速火焰喷涂Ni基复合涂层的抗高温腐蚀性能 罗靖川; 杨冠军; 陈林 材料保护 2022-07-15

热喷涂WC-MoB-Co金属陶瓷涂层的耐腐蚀性能研究 王宇; 吴超 热喷涂技术 2022-06-15

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