等离子喷涂层原生性孔隙几何结构的分形及统计特性

孔隙是等离子喷涂涂层原生性结构, 对涂层的耐磨损、耐腐蚀、耐高温等性能具有显著影响, 是涂层参数优化的重要指标之一. 因此, 对涂层孔隙结构特征参数的全面表征对于更加精确地评价涂层质量具有重要意义. 本文将概率统计方法、分形方法与数字图像分析技术相结合, 研究了等离子喷涂涂层原生性孔隙数量、形态、尺寸及其分布等结构特征参数表征方法及孔隙的成形机理. 首先通过改变喷涂功率得到不同孔隙状态的Fe基合金涂层, 随后采用数字图像分析技术对涂层截面孔隙的扫描电子显微形貌图进行处理, 最后通过Weibull统计模型分析了孔隙周长及面积的尺寸分布特征, 并利用基于分形思想的面积-周长幂率研究了孔隙不规则形态的定量表征方法. 在实验过程中, 为了分析涂层孔隙的成形机理, 采用Spraywatch在线监测喷涂粒子的飞行状态. 结果表明: 分形维数能够表征孔隙的不规则形态, 分形维数越大, 孔隙面积越大或边界形态越复杂, 并且其与孔隙的成形机理之间存在良好的映射关系; 孔隙面积及周长的尺寸分布均服从明显的两项Weibull分布特征, 孔隙尺寸较小时, 形状参数β 较大, 而孔隙尺寸较大时, 则反之; 喷涂功率对孔隙尺寸的聚集特点产生不同程度的影响, 随着喷涂功率的增加, 粒子的融化状态逐渐改善, 孔隙的尺寸明显降低; 而当孔隙面积(周长)小于特征值时, 相同尺寸的孔隙概率密度值则越来越接近, 说明孔隙功率的变化对小尺寸孔隙出现的概率影响较小.