一种机械构件表面复合强化涂层界面结合行为预测方法技术

本发明专利技术提供了一种机械构件表面复合强化涂层界面结合行为预测方法，包括：对机械构件进行预处理并构建机械构件的表面复合强化涂层；对表面复合强化涂层的析出相进行物相表征；建立界面物相模型；计算电荷密度

【技术实现步骤摘要】
一种机械构件表面复合强化涂层界面结合行为预测方法
[0001]本申请是名为
《
一种机械构件表面复合强化涂层界面结合行为预测方法
》
的专利申请的分案申请，原申请的申请日为
2022
年
05
月
12
日，申请号为
202210517775.0。


[0002]本专利技术涉及表面功能涂层性能评价与预测
，特别是涉及一种机械构件表面复合强化涂层界面结合行为预测方法
。

技术介绍

[0003]摩擦
、
磨损及腐蚀是自然界存在的普遍现象，摩擦对工业生产
、
人类生活有利有弊，而磨损
、
腐蚀却是百害而无一利
。
摩擦
、
磨损及腐蚀对航空航天
、
轨道交通
、
大型水利机械
、
起重装备
、
特大盾构掘进等工程机械构件，如航空轴承
、
水轮机叶片
、
轨道交通齿轮等构件及材料的消耗是相当可观的，据不完全估计，有
1/3
至
1/2
的制造业消耗来源于磨损，而磨损
、
腐蚀又常常是机器零部件失效的主要原因
。
通过表面工程与表面改性技术，如激光熔覆
、
喷涂
、
磁控溅射
、
真空镀等方式对上述工程机械构件或材料进行表面涂层强化，预防或减缓构件及材料被磨损
、
腐蚀及摩擦的速度，延长工程机械使用寿命
。
[0004]表面强化涂层中有许多结合界面，以钎涂为例，钎料与反应层的结合界面
、
反应层与基体的结合界面
、
钎料与增强颗粒的结合界面，任意一个结合界面都是影响涂层与基体结合组织
、
强度的关键环节
。
涂层中生成过量的脆性金属间化合物或有害
(
不利
)
析出相将导致涂层与基体的力学性能严重下降；如界面结合性能不佳，涂层中会产生气孔
、
裂纹
、
夹杂等缺陷；涂层中生成与基体热膨胀系数差异较大的析出相
(
物相
)
会导致涂层整体热膨胀系数与基体匹配失效，产生较大的界面残余应力，对界面反应和结合行为十分不利
。
[0005]涂层中界面结合强度受到工艺参数的耦合影响，不同的工艺参数涂层微观组织不同，界面的结合强度也存在很大差异，传统的实验和观察方法研究界面结合情况只是对生成物物相表征，具体的界面结合行为研究不够深入，此外，界面结合强度的实验往往需要无参考地设置工艺参数，试验工作量非常大，导致实验成本大幅增加
。
界面结合行为归根到底是界面处化学键的形成，化学键的形成就是原子间的相互作用，即电子的转移，这些相互作用基于量子力学定理，通过量子力学理论可对材料在原子尺度相关表界面行为进行预测和分析，为界面强度实验提供参考和理论依据，基于密度泛函理论
(DFT
，
Density Functional Theory)
的第一性原理计算是研究微观界面的重要方法之一
。

技术实现思路

[0006]为了克服现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种机械构件表面复合强化涂层界面结合行为预测方法
。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0008]一种机械构件表面复合强化涂层界面结合行为预测方法，用于航空轴承
、
水轮机叶片
、
轨道交通齿轮
、
盾构刀盘刀具的大型构件表面涂层界面行为与组织性能的评价与预
测，包括以下步骤：
[0009]对机械构件进行预处理并构建所述机械构件的表面复合强化涂层界面；
[0010]对所述表面复合强化涂层界面的析出相进行物相表征；
[0011]基于所述物相表征的结果，建立界面物相模型；
[0012]基于所述界面物相模型进行第一性原理数值计算，获得界面黏附功
、
电荷密度
、
差分电荷密度
、
分波态密度以及
Mulliken
布局；
[0013]基于电荷密度
、
差分电荷密度
、
分波态密度以及
Mulliken
布局，分析所述表面复合强化涂层界面的电荷转移
、
轨道杂化和成键类型；
[0014]基于所述界面黏附功以及所述电荷转移
、
轨道杂化和成键类型判断连接界面的结合强度；
[0015]基于所述连接界面的结合强度，获取预测结果；
[0016]所述预处理的过程包括：基于碳化硅砂纸对所述机械构件试样表面打磨至
1000#
，并抛光
、
用酒精或丙酮超声清洗5～
10min、
烘干；对所述机械构件进行腐蚀，待所述机械构件失去光泽表面后再次烘干；对所述机械构件进行腐蚀的过程包括：采用3％
FeCl3的腐蚀液对试样浸蚀2‑
5s
；
[0017]所述表面复合强化涂层界面的构建方法包括激光熔覆
、
热喷涂
、
磁控溅射
、
冷喷涂
、
激光钎涂中的一种或多种；
[0018]对所述表面复合强化涂层的析出相进行物相表征的方法包括：
[0019]对所述析出相进行微观形貌表征，所述微观形貌表征采用扫描电子显微镜和
/
或扫描探针显微镜和
/
或激光共聚焦显微镜；
[0020]对所述析出相进行物相分析表征，所述物相分析表征采用
X
射线衍射和
/
或
X
射线荧光光谱和
/
或
X
射线光电子能谱；
[0021]所述界面物相模型为表面复合强化涂层界面相邻的任意两种物相
。
[0022]根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：
[0023]一
、
本专利技术弥补了第一性原理计算在复合涂层领域的应用，提供一种基于密度泛函理论的第一性能原理调控工程机械构件表面复合强化涂层界面结合行为预测方法，从分子层面预测复合强化涂层结合行为与内部分子结合特种，揭示复合涂层界面结合行为
、
界面反应的本质，为激光熔覆
、
热喷涂
、
磁控溅射
、
冷喷涂或激光钎涂等涂层制备工艺提供理论依据和技术支撑
。
[0024]二
、
本专利技术无需复杂的实验条件与复合涂层制备工艺，借助第一性原理理论计算，改变了传统“本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种机械构件表面复合强化涂层界面结合行为预测方法，其特征在于，用于航空轴承
、
水轮机叶片
、
轨道交通齿轮
、
盾构刀盘刀具的大型构件表面涂层界面行为与组织性能的评价与预测，包括以下步骤：对机械构件进行预处理并构建所述机械构件的表面复合强化涂层界面；对所述表面复合强化涂层界面的析出相进行物相表征；基于所述物相表征的结果，建立界面物相模型；基于所述界面物相模型进行第一性原理数值计算，获得界面黏附功
、
电荷密度
、
差分电荷密度
、
分波态密度以及
Mulliken
布局；基于电荷密度
、
差分电荷密度
、
分波态密度以及
Mulliken
布局，分析所述表面复合强化涂层界面的电荷转移
、
轨道杂化和成键类型；基于所述界面黏附功以及所述电荷转移
、
轨道杂化和成键类型判断连接界面的结合强度；基于所述连接界面的结合强度，获取预测结果；所述预处理的过程包括：基于碳化硅砂纸对所述机械构件试...

【专利技术属性】
技术研发人员：王星星，吴港，田家豪，何鹏，崔大田，龙伟民，陈小明，杜全斌，温国栋，闫明明，彭进，李彬，李帅，倪增磊，李刚，
申请(专利权)人：华北水利水电大学，
类型：发明
国别省市：