等离子喷涂薄壁零件涂层中的残余应力

以等离子喷涂零件为研究对象,提出了薄壁零件与厚壁零件的概念,并建立了一种基于叠加原理的残余应力计算模型.计算结果表明:在涂层中既可能产生拉应力,也可能产生压应力;喷涂零件残余应力极限值位于基体与涂层的结合区域;增层模型和应力叠加方法可有效估算残余应力的松弛;估算值与测量值吻合得较好;热膨胀系数、基体预热温度、涂层厚度对残余应力的影响较大.研究结果对等离子喷涂涂层的设计具有一定的参考价值.     

激光拉曼光谱法测定金刚石复合片残余应力

采用显微拉曼光谱仪对直径为25.4 mm、总厚度为3.2 mm的刀具用金刚石复合片(PDC)层表面和侧面不同位置的残余应力进行测试,获得PDC金刚石层表面径向及侧面的应力分布。然后,用电火花切掉PDC的硬质合金基体,再测定金刚石层表面的拉曼光谱,从而得出金刚石层的微观残余应力。研究结果表明:PDC表面中间部分的应力为压缩应力,最大值约600 MPa,从中心到边缘逐渐降低,在离边缘2 mm左右变为拉应力;边沿拉应力的产生是基体的厚度较小,PDC朝金刚石层方向弯曲造成的;金刚石层侧面的应力为拉应力,最大值达580 MPa,位置靠近PDC界面,这是PDC出现金刚石脱层的主要原因之一;实验测得的PDC微观应力为62.5 MPa。     

热障涂层热不匹配残余应力的分析研究

广泛应用于高温部件的热障涂层,在热载荷作用下各层间所集聚的残余应力是导致其层裂和失效的重要原因。针对热障涂层由于热不匹配产生的残余应力,建立了相应的平面应变模型,研究了温度与涂层厚度对界面残余应力和陶瓷层内最大残余应力分布的影响。结果表明,陶瓷层内的残余应力主要表现为横向压缩应力,且最大值位于距陶瓷层表面1/3厚度处;界面残余应力相对较小,但在自由边界处有应力集中现象;随着温度的升高应力值在增大,陶瓷层厚度增加会改变结构厚度方向上的应力分布,且厚度增加使陶瓷层内残余应力值和界面残余应力值减小。     

基体曲率对热障涂层残余应力的影响

导出了轴对称温度应力状态下的位移公式。采用空心和实心四相同心圆模型分析了基体曲率对热障涂层残余应力的影响。结果表明：热障涂层结构中各层内既有环向应力,又有径向应力,应力大小与温降成线性关系;当陶瓷层在外层时,在氧化层／陶瓷层和粘结层／氧化层界面上产生垂直界面的拉应力,且实心模型的拉应力远大于空心模型的拉应力;当陶瓷层在里层时,空心模型中相应界面上的应力为压应力。     

基体曲率对热障涂层残余应力的影响

导出了轴对称温度应力状态下的位移公式,采用空心和实心四相同心圆模型分析了基体曲率对热障涂层残余应力的影响。结果表明:热障涂层结构中各层内既有环向应力,又有径向应力,应力大小与温降成线性关系;当陶瓷层在外层时,在氧化层/陶瓷层和粘结层/氧化层界面上产生垂直界面的拉应力,且实心模型的拉应力远大于空心模型的拉应力;当陶瓷层在里层时,空心模型中相应界面上的应力为压应力。     

涂层硬质合金刀具切削韧性研究

切削韧性和耐磨性是刀具材料发展中的一对主要矛盾。目前涂层硬质合金刀片的耐磨性大大优于非涂层基体硬质合金刀片,而切削韧性却有所下降。不同的涂层厚度,不同的涂层材料和不同的基体材料对涂层刀片切削韧性的影响程度亦有所不同。 本文从探讨涂层刀片的破损机理入手,分析了涂层刀片切削韧性下降的原因;推导了涂层刀片表面残余应力σ_R的计算公式;提出了基体材料必须具备较高的断裂韧性K_(1c),进而寻求提高涂层刀片切削韧性的途径;并用断裂力学理论定量试算了最佳涂层厚度。     

基于有限元法的热障涂层系统应力分析

采用有限元方法建立热障涂层模型,研究热障涂层系统在温度载荷作用下的应力场及其温度场分布,考虑陶瓷层厚度和氧化层厚度变化对热障涂层系统热应力的影响。研究结果表明,热障涂层系统最大应力出现在氧化层/陶瓷层界面,热障涂层系统内氧化层/陶瓷层界面等效残余应力随着氧化层厚度增加而增加。随着陶瓷层厚度增加,热障涂层系统隔热效果明显,对热障涂层设计有指导意义。     

38CrMoAl与多种涂层材料的结合性能分析

利用ANSYS workbench软件对涂层与基体进行建模,采用有限元方法分析38CrMoAl基材与TiN、TiC、SiC和DLC涂层材料之间的结合力情况,研究了结合力随涂层不同及施加载荷不同的变化.结果表明:当TiN、TiC、SiC涂层与基体结合时,残余应力主要集中在涂层与基体的结合处,在涂层表面与基体内部的分布较为均匀,而DLC涂层由于具有较好的导热性,能够快速的将残余应力导向基体中;残余应力与扩散距离的关系在涂层表面处呈现非线性的变化,而在涂层界面和涂层整体则是随着应力扩散距离的增加,先急速减少再到基本保持不变.所以,采用适当的涂层制备工艺,对残余应力的改变与材料的使用性能会有很大的影响.     

等离子熔射成形熔滴薄片沉积的模拟研究

采用等离子熔射成形技术制造的模具和零件,其涂层的性能受残余热应力的影响极大.为此建立了一个二维有限元模型,用于研究单个不锈钢熔滴薄片在碳钢基体上沉积时的温度场及残余热应力.结果显示,尽管在初始的凝固阶段薄片边缘的温度高于薄片中心的温度,但随后这两个位置的温度差却发生逆转.最大残余应力位于薄片与基体界面的边缘,且其大小随基体温度升高而减小,最小残余热应力则位于薄片上表面的边缘.残余热应力在薄片中表现为拉应力,而在基体中则表现为压应力.本研究可为在微观水平上理解等离子熔射成形的温度场和残余热应力分布提供基础.     

多层陶瓷涂层厚度配比应力场有限元分析

钢基铝层经等离子体电解氧化技术陶瓷化后,可在钢表面形成多层体系结构的陶瓷涂层.采用有限元方法,对不同厚度配比的复合涂层在均布接触载荷作用下的应力分布进行了研究.结果表明:铝层的存在可明显缓解界面处的剪应力.同时,铝层厚度增加,也使表面拉应力增大;Al2O3层决定着涂层内最大剪应力距离表面的距离,增强了涂层表面支撑能力,可减缓表面拉应力值.特别,当Al2O3层与Al层的厚度相等时,Al2O3/Al界面处的剪应力最小;FeAl层对表面应力和界面应力影响较小.因此,当选择较厚陶瓷层和较薄铝层时,涂层内将具有较优的表面和界面应力分布状态,从而可提高涂层力学性能.     

等离子熔射成形熔滴薄片沉积的模拟研究

采用等离子熔射成形技术制造的模具和零件,其涂层的性能受残余热应力的影响极大.为此建立了一个二维有限元模型,用于研究单个不锈钢熔滴薄片在碳钢基体上沉积时的温度场及残余热应力.结果显示,尽管在初始的凝固阶段薄片边缘的温度高于薄片中心的温度,但随后这两个位置的温度差却发生逆转.最大残余应力位于薄片与基体界面的边缘,且其大小随基体温度升高而减小,最小残余热应力则位于薄片上表面的边缘.残余热应力在薄片中表现为拉应力,而在基体中则表现为压应力.本研究可为在微观水平上理解等离子熔射成形的温度场和残余热应力分布提供基础.     

料浆喷涂微晶玻璃涂层的微观组织结构及其抗氧化性能

采用料浆喷涂法在镍合金GH140基体上制备SiO2-BaO-MgO-ZnO微晶玻璃涂层,研究微晶玻璃涂层在高温下的抗恒温氧化性能。通过SEM,EDS和XRD分析GC/GH140晶化处理及1 000℃恒温氧化前后的形貌特征、相组成以及元素分布的变化。研究结果表明:GC/GH140氧化质量增加极小。晶化热处理前,微晶玻璃涂层与GH140基体结合致密,在涂层烧结过程中,基体中的Cr和Ti向涂层界面扩散,形成富Cr和Ti致密氧化膜,并在基体中形成了一层很薄的氧化物不连续分布的过渡区域。晶化热处理2 h后,涂层中析出主要成分为白色柱状BaSi4O9和黑色SiO2颗粒,氧化膜与过渡层的厚度变化不大。随恒温氧化时间延长,涂层的相组成保持不变,黑色SiO2相含量迅速增加,过渡层厚度缓慢增加;氧化96 h后,涂层与基体仍然结合良好,表面也十分致密,有效阻碍了氧的扩散,大幅度提高了基体的抗氧化能力。     

基于数值模拟的铸钢基体堆焊锻模焊层厚度优化

为解决目前模具制造业中遇到的高成本、低寿命等问题,文中提出了一种基于铸钢基体的表面堆焊制备锻模的方法.针对其中焊接厚度的控制难题,将试验验证与计算机有限元数值分析相结合,建立了基于ZG310-570基体表面堆焊模具的有限元简化模型,采用热循环曲线法模拟铸钢基体模具表面堆焊及回火去应力过程,并分析温度场和不同焊接层厚度的残余应力场分布.结果表明:有限元数值分析能较好地模拟实际铸钢基体表面堆焊锻模的制备过程;基体近焊缝位置等效应力随焊接厚度的增加而降低,到焊层厚度为15 mm后趋于平稳;远离焊缝位置的残余应力随焊接厚度增加而逐渐升高,焊道对基体部位的影响也随之增大,使得铸钢基体材料在使用过程中出现缺陷的可能性显著增加.综合考虑焊接厚度对铸钢基体的影响及模具制造成本等因素,认定该工艺条件下铸钢基体表面堆焊层的最优厚度为15mm.     

梯度过渡层对TiC薄膜中残余应力影响的研究

用平行光束掠射法（ＧＩＸＤ）测定了磁控溅射ＴｉＣ（Ａｌ基体）膜中的残余应力，比较了不同厚度的梯度过渡层对残余应力的影响。     

医用不锈钢表面TiN薄膜的组织结构和力学性能研究

为改善医用不锈钢的耐磨性,采用反应磁控溅射在304不锈钢表面沉积了TiN薄膜,研究了Ti过渡层沉积时间对TiN薄膜微观结构和力学性能的影响。通过Ｘ射线衍射仪、扫描电子显微镜、纳米压痕仪、FST1000型薄膜应力测试仪、HSR-2M摩擦磨损试验机和WS-2005型涂层附着力自动划痕仪对样品进行微观组织表征和力学性能测试。结果表明,当Ti过渡层沉积时间为20 min,Ti过渡层厚度为340 nm时,TiN薄膜结晶性最强,硬度和弹性模量达到最大值,分别为21.6 GPa和327.5 GPa,平均摩擦因数达到最小值0.45,临界载荷达到最大值24.7 N,TiN薄膜的力学性能、摩擦性能以及与基体的结合力达到最优。进一步延长Ti过渡层的沉积时间,TiN薄膜的柱状晶组织粗化、力学性能、摩擦性能以及与基体的结合力均降低。     

双辉等离子法在Mo、Nb表面制Ir涂层微观结构比较

通过双层辉光等离子体表面渗金属方法,在难熔金属Mo、Nb表面成功制得Ir涂层,并对其微观结构和微观形貌进行分析.制得的铱涂层呈亮银白色,致密且表面均匀,无明显缺陷.XRD研究表明：Ir涂层呈多晶态,并沿（220）晶面优先生长,Nb基体上Ir涂层（220）晶面择优生长趋势明显高于Mo基体上Ir涂层（220）晶面择优生长趋势 Ir涂层由锥形晶构成,致密均匀,没有微观缺陷和微观裂纹.Ir涂层制备过程中,在基材表面形成了一个基材元素梯度分布的过渡层.过渡层的存在使得Ir涂层与基材结合良好 同时,Ir涂层遭受高密度离子轰击,在涂层内部产生高的残余压应力.利用纳米压痕仪测定了致密Ir涂层的硬度及弹性模量,并对其加载卸载曲线进行分析.由于基体热膨胀系数的差异,Nb基体上Ir涂层的残余压应力、表面硬度均大于Mo基体上Ir涂层.     

基于无网格方法的涂层接触问题研究

建立了含有表面织构的涂层的接触力学模型,将无网格理论与求解接触问题的线性规划方法相结合对模型进行了数值求解. 研究了涂层的材料、厚度及表面织构对接触压力和涂层-基体系统应力状态的影响. 结果表明:随着涂层与基体弹性模量比(E_c/E_s)增大,沿对称轴在涂层和基体界面处的应力梯度逐渐增大. 随着涂层厚度的增加,界面处应力梯度先增大后减小. 弹性模量比和涂层厚度对界面处的剪应力和Mises应力也有很大的影响. 减小表面织构间的间距能够降低涂层和基体内的最大Mises应力.      

AlTiN,AlTiN-Cu和AlTiN/AlTiN-Cu涂层的组织结构与耐腐蚀性能

采用阴极弧蒸发沉积设备在WC-6%Co(质量分数)基体上制备AlTiN,AlTiN-Cu和AlTiN/AlTiN-Cu涂层。采用扫描电子显微镜(SEM)观察涂层表面形貌和截面形貌,利用X线衍射仪(XRD)检测涂层的相结构。采用Tafel极化曲线和电化学阻抗谱(EIS)方法,研究这3种涂层硬质合金在质量分数为3.5%的NaCl溶液中的电化学行为,比较这3种涂层的耐腐蚀性能。研究结果表明:Cu的加入使AlTiN涂层表面液滴增多,但减小晶粒粒度,使涂层结构更加致密,孔隙率减小;与硬质合金基体相比,AlTiN,AlTiN-Cu和AlTiN/AlTiN-Cu涂层硬质合金的自腐蚀电流(icorr)分别降低40%,80%和93%,电荷转移电阻(R_(ct))分别提高2.91,3.72和7.85倍,耐腐蚀性能大大提高;3种涂层耐腐蚀能力从强到弱依次为AlTiN/AlTiN-Cu,AlTiN-Cu和AlTiN。     

涂层硬质合金基体特性及其对刀具失效机理的影响

涂层硬质合金刀具的推广应用越来越广泛。如何在选择好涂层材料的同时,合理选择基体材料,做到涂层和基体的良好匹配,这是涂层硬质合金刀具的生产者和使用者都普遍关心的问题。本文以目前切钢牌号涂层硬质合金刀具最常用的两类基体——钨钴钛类和钨钴钛添加钽(铌)类硬质合金作为典型代表,研究它们作为涂层硬质合金刀具基体时的性能特点,及其对涂层硬质合金刀具失效机理的影响;在试验资料和理论分析的基础上,指出了在不同切削条件下正确选用基体的方向,以及研究特殊基体的必要性和可能性。     

涂层材料特性对滚动轴承接触性能的影响

使用半解析法求解涂层材料的接触问题. 对于接触压力的求解采用共轭梯度法;而表面弹性变形以及次表层应力,通过解析法得到影响系数,并采用离散卷积-快速傅里叶变换加速求解. 结果表明,薄涂层对表面压力的改变很小,主要由基体承受载荷,对于滚子轴承而言,涂层不能消除边缘压力集中;最大Von-Mises应力的大小和位置与涂层材料、涂层厚度以及摩擦因数有关;与软涂层相比,硬涂层具有较大的界面剪切应力,涂层剥落、黏着失效更易发生,随着涂层厚度的增加,最大界面剪切应力先增加后减小.