双涂层界面接触应力分析

目的研究在接触应力作用下,双涂层的总厚度及厚度比对其界面应力的影响规律。方法采用有限元方法研究两个界面,即涂层与基底界面和涂层间界面的Mises应力突变量和界面最大剪应力。结果总厚度一定时,涂层厚度比变化对涂层/基底界面应力的影响较小,而对涂层间界面应力的影响明显。对于薄涂层,涂层间界面Mises应力突变量和最大剪应力随着中间层厚度比例的增大而减小;对于厚涂层,涂层间界面Mises应力突变量和最大剪应力随着中间层厚度比例的增大而减小。涂层厚度比一定时,随着涂层总厚度增加,涂层间界面Mises应力突变量和最大剪应力先增大,后减小。结论双涂层的总厚度及厚度比对其界面应力有显著影响。     

双涂层界面接触应力分析

目的研究在接触应力作用下,双涂层的总厚度及厚度比对其界面应力的影响规律。方法采用有限元方法研究两个界面,即涂层与基底界面和涂层间界面的Mises应力突变量和界面最大剪应力。结果总厚度一定时,涂层厚度比变化对涂层/基底界面应力的影响较小,而对涂层间界面应力的影响明显。对于薄涂层,涂层间界面Mises应力突变量和最大剪应力随着中间层厚度比例的增大而减小;对于厚涂层,涂层间界面Mises应力突变量和最大剪应力随着中间层厚度比例的增大而减小。涂层厚度比一定时,随着涂层总厚度增加,涂层间界面Mises应力突变量和最大剪应力先增大,后减小。结论双涂层的总厚度及厚度比对其界面应力有显著影响。     

MoSi2涂层残余应力和结合强度的有限元分析

目的研究残余应力对MoSi_2涂层结合强度的影响。方法基于粉末包渗法(PC)制备的MoSi_2涂层在退火前后的微观形貌和相组成,建立有限元分析模型,计算MoSi_2涂层在退火前后的残余应力。根据涂层法向和切向残余应力随涂层厚度的变化,并结合涂层在退火前后结合强度随涂层厚度的变化规律,研究残余应力对涂层结合强度的影响。结果有限元模拟结果表明,MoSi_2涂层的法向残余应力随涂层厚度的增加而减小。涂层的切向残余应力在涂层界面边缘处形成应力集中,并且最大切向残余应力随涂层厚度的增加而增大,与涂层结合强度的变化趋势相吻合。此外,退火后,MoSi_2涂层的法向残余应力几乎没有变化,但是最大切向残余应力下降了10%左右,结合强度提高了20%左右。结论粉末包渗法(PC)制备的Mo Si_2涂层的结合强度受切向残余应力的影响,涂层切向残余应力增大,导致涂层结合强度降低。退火处理能够起到有效改善涂层界面切向残余应力集中的作用,对于提高涂层结合强度有明显的效果。     

等离子喷涂Mo/8YSZ功能梯度热障涂层结构优化与热力耦合模拟计算

目的研究不同结构参数对Mo/8YSZ热障涂层系统残余应力的影响因素。方法设计Mo/8YSZ功能梯度热障涂层,并利用ANSYS有限元软件建立了等离子喷涂Mo/8YSZ功能梯度热障涂层的数值模型,模型中考虑了材料热物理性能参数随温度变化,研究粘结层、过渡层及陶瓷层厚度对Mo/8YSZ功能梯度热障涂层残余应力的影响规律。结果随着径向距离的增大,粘结层与陶瓷层界面的残余应力逐渐由压应力变为拉应力,并且在涂层边缘位置,径向残余拉应力达到最大值。在0~12 mm路径范围内的同一位置,伴随着陶瓷层厚度的增加,粘结层与陶瓷层界面位置的轴向残余应力无明显变化,且轴向残余应力的数值几乎为0;在6~12.5 mm路径范围内的同一位置,伴随着陶瓷层厚度的增加,其剪切残余应力逐渐增大。在基体与粘结层界面边缘0.5 mm处存在着与其他位置相比更大的应力突变。粘结层与陶瓷层的厚度参数比控制在4∶10~4∶13时,涂层具有最低的热失配。过渡层与陶瓷层的厚度参数比控制在1∶4时,涂层具有最低的热失配。当功能梯度热障涂层的过渡层采用50%Mo与50%8YSZ复合而成时,将粘结层、过渡层及陶瓷层三者的厚度比值控制在16∶10∶40~16∶13∶52,涂层具有最低的热失配。结论通过设计功能梯度热障涂层,并合理调控热障涂层系统的结构参数,可进一步减小喷涂构件的残余应力和应力突变情况,提升基体与涂层的结合强度。     

不锈钢表面渗铝层/ZrO2复合涂层残余应力模拟

目的 研究不同制备工艺参数对渗铝层/ZrO2复合涂层残余应力的影响。方法 采用ANSYS 18.1软件中的Workbench模块,采用热力耦合的方法,对沉积过程中不同制备工艺参数下产生的残余应力进行数值模拟。结果 保温时间由2 h增长至5 h,等效应力由895 MPa减小至862 MPa。沉积温度由400 ℃升高至700 ℃,等效应力由541 MPa增加至999 MPa。ZrO2层厚度从2 μm增加至14 μm,等效应力由925 MPa减小至835 MPa,但是渗铝层-氧化锆层界面的剪切应力由59 MPa增加至101 MPa。基体厚度的变化对基体及渗铝层内的热应力影响不大,但对ZrO2层有较大的影响,基体厚度由0.3 mm增加至0.8 mm,等效应力由745 MPa增加至850 MPa。渗铝层使等效应力由877 MPa减小至745 MPa,径向应力由-1235 MPa减小至-1072 MPa,剪切应力由105 MPa降低到89 MPa,轴向应力由-375 MPa减小至-312 MPa,其中ZrO2层中的轴向应力改变明显,由-128 MPa减小至-39 MPa。结论 增加渗铝保温时间,整个复合涂层的应力降低。沉积温度与室温相差越大,热匹配失衡越严重。ZrO2层厚度增加,基体和渗铝层的应力均有升高,ZrO2层内部除剪切应力稍增加外,其余应力均减小。基体厚度增加,ZrO2层等效应力和径向应力均明显增大,因此应降低基体的厚度。渗铝层起到很好的缓冲作用。     

AlCrN涂层的残余热应力分析

采用ANSYS有限元分析软件中的瞬态分析方法,对涂层刀具沉积过程中残余热应力进行了仿真分析。研究了AlCrN涂层残余热应力的大小、分布和影响因素。结果表明:由于涂层与基体材料的热膨胀系数不匹配,结合面区域存在严重的应力集中;基体材料、涂层厚度、沉积温度以及中间层的使用对残余应力有很大影响;基体材料为高速钢时,AlCrN涂层内残余应力大以压应力为主并随着涂层厚度的增加而减小;基体为硬质合金时,残余应力相对较小,涂层内以拉应力为主并随基体钴含量和涂层厚度的增加而减少;增加中间层可以减小残余应力。因此,通过涂层和不同基体匹配以及增加中间层可以缓和界面应力增强界面结合强度。     

AlCrN涂层的残余热应力分析

采用ANSYS有限元分析软件中的瞬态分析方法,对涂层刀具沉积过程中残余热应力进行了仿真分析.研究了AlCrN涂层残余热应力的大小、分布和影响因素.结果表明:由于涂层与基体材料的热膨胀系数不匹配,结合面区域存在严重的应力集中;基体材料、涂层厚度、沉积温度以及中间层的使用对残余应力有很大影响;基体材料为高速钢时,AlCrN涂层内残余应力大以压应力为主并随着涂层厚度的增加而减小;基体为硬质合金时,残余应力相对较小,涂层内以拉应力为主并随基体钴含量和涂层厚度的增加而减少;增加中间层可以减小残余应力.因此,通过涂层和不同基体匹配以及增加中间层可以缓和界面应力增强界面结合强度.     

C/C材料表面ZrB2-SiC功能梯度涂层残余应力分析

目的以C/C复合材料为基体,设计ZrB_2-SiC功能梯度材料。方法利用Ansys软件对等离子喷涂ZrB_2-SiC功能梯度涂层在沉积过程中产生的残余应力进行数值模拟,分析成分分布指数p和梯度层厚度t对梯度涂层残余应力的影响;并通过基于悬臂梁理论的热应力解析,计算与基体接触的涂层在涂层与基体厚度比λ不同时的残余应力值。结果模拟分析结果表明,在涂层与基体的界面,梯度层的厚度对轴向压应力影响不大,径向压应力和切向应力均随厚度的增加而增大,在边缘区域应力集中较为严重,易产生层间破坏;纯ZrB_2层为表面层,其应力主要为径向压应力,且沿径向逐渐减小至0,到边缘处又突变为拉应力,并随p的增大而减小。对比解析法分析可得两者计算的与基体接触的涂层内部的残余应力随λ的增大都是逐渐降低的,这符合涂层内部的应力分布原理。根据优化设计,获得功能梯度材料在各梯度层厚度d为0.1~0.2 mm,成分梯度指数为4时的热应力变化缓和效果较好。结论基于悬臂梁理论的解析解可以很好地评估热应力,并验证了该模拟的正确性。     

三维多粗糙峰涂层等效应力分析与表征

利用有限元方法建立了刚性平面与多粗糙峰涂层的弹性接触模型,研究了刚性平面分别与二维涂层粗糙峰、三维涂层粗糙峰的接触状态,揭示了涂层/基体弹性模量比、涂层厚度、粗糙峰问距、刚性平面压下深度对涂层粗糙峰表面、涂层/基体界面等效应力分布及涂层基体变形的影响规律.计算结果表明:压下深度对涂层粗糙峰表面最大等效米塞斯应力的影响最大,涂层厚度和涂层/基体弹性模量比的影响次之,粗糙峰间距的影响最小;增大涂层厚度,减小压下深度、粗糙峰间距和低弹性模量比,会使得最大等效应力值显著降低.     

人工机械心瓣热解碳 / 石墨界面结合强度分析

目的研究人工心瓣热解碳涂层与基体结合强度的影响因素,从而分析提高人工心瓣寿命的途径。方法通过改进的剪切试验法,得到人工机械心瓣热解碳涂层/石墨基体的平均界面剪切结合强度。利用有限元分析软件ANSYS建立三维模型,对人工机械心瓣热解碳涂层/石墨基体的界面剪切应力进行分析,将分析结果与试验结果进行对比。利用ANSYS验证不同涂层厚度以及不同涂层弹性模量的情况下,界面剪切应力的变化情况。结果试验所得的平均界面剪切结合强度为5.535 MPa,有限元分析得到的平均结合强度值为5.98 MPa。随着涂层厚度的增加,涂层与基体结合强度降低;随着涂层弹性模量的增加,涂层与基体结合强度增大,但弹性模量并非越大越好,应有一个合适的值。结论 ANSYS分析是准确的。制备热解碳涂层时,应尽量薄一些,热解碳的弹性模量相对石墨应尽量大一些。     

YSZ活性扩散障结构应力的有限元分析

利用有限元分析法建立了镍基合金基体/Al2O3/Zr/Al2O3/NiCrAlY粘结层模型,模拟计算了温度快速变化时扩散障的应力集中区域及应力水平,分析了扩散障的厚度及界面形貌对扩散障结构应力的影响。结果表明:在温度急剧变化过程中,扩散障内应力水平较高的区域主要出现在Al2O3层,特别是在Al2O3层中段、非平整界面的尖点、拐点处以及曲面的凹凸不平处;扩散障内应力值随Al2O3层和Zr层的增大而减小,且Al2O3层厚度变化对应力的影响比Zr层厚度变化的影响大;非平整界面最大等效应力比平整界面高约1 000 MPa。     

铝基厚梯度热障涂层制备工艺及性能研究

采用单一等离子喷涂法和超音速火焰喷涂与等离子喷涂复合喷涂法在铝质LY12基体上制蔷了总厚度分别为0.6mm、10mm和2．0mm的梯度热障涂层，并对基体界面处的涂层显微结构特征进行了金相组织和扫描电镜(SEM)观察，试验结果表明，采用复合喷涂法制备的2mm厚梯度热障涂层其抗拉强度得到显著提高．达到36MPa．其主要原因是采甩JP5000喷涂粘结底层很好的改善了铝基体与游层之间的界面结合强度。基体界面结合强度高低与两者的紧密接触程度有关。     

提高挤压筒内壁耐磨性的WC-12Co涂层有限元优化

目的获得WC-12Co涂层厚度的优化方案,以提高挤压筒内壁的耐磨性。方法基于ANSYS软件,以两层套圆挤压筒为研究对象,进行挤压筒内壁有无WC-12Co涂层及涂层厚度对挤压筒应力分布影响的有限元模拟。结果施加涂层后,在装配、挤压-装配和热-挤压-装配情况下,涂层的应力分布合理且都小于该温度下涂层的屈服强度;而在热-装配条件下,由于热应力和过盈量引起的预应力相互抵消,使得总体应力较小;同时,等效应力在涂层与挤压筒的结合处发生剧烈变化,而在其他位置的应力相较于不施加涂层时变化较小。在各种工况下,挤压筒内出现的最大等效应力均随着涂层厚度的增加而降低,且热-挤压-装配下涂层厚度对最大应力影响最大。结论在所选涂层厚度范围内,涂层厚度越大,挤压筒所受的最大应力越小,越有利于挤压筒使用。当涂层厚度为6.4 mm时,各种工况下的最大等效应力最小,此时在热-挤压-装配工况下的最大等效应力为760.61 MPa,已经远低于H13钢的屈服强度,可以满足实际使用要求。     

微裂纹缺陷对CVD金刚石涂层微刀具损伤失效的影响研究

目的 研究微裂纹缺陷在CVD金刚石涂层中的扩展规律,揭示CVD金刚石涂层微刀具的涂层脱落机理.方法 基于ABAQUS开展预置涂层内部竖直微裂纹和涂层基底界面水平微裂纹的CVD金刚石涂层单向拉伸有限元仿真,分析单裂纹和多裂纹扩展过程中裂纹尖端的应力分布和应力强度因子变化规律.开展CVD金刚石涂层刀具微铣削Ti6Al4V实验,分析刀具的磨损形态和刀尖的断面形貌,验证仿真结果.结果 涂层内部竖直微裂纹扩展到涂层基底界面时,裂纹尖端的应力强度因子小于硬质合金的断裂韧性537.6 MPa·mm1/2,大于金刚石的断裂韧性289.7 MPa·mm1/2,裂纹在界面发生偏转.涂层和基底界面间的水平微裂纹在扩展过程中裂纹尖端的应力强度因子小于金刚石和硬质合金的断裂韧性,裂纹沿着界面逐步扩展.CVD金刚石涂层刀具微铣削Ti6Al4V后表现出涂层脱落、刀尖破损和崩刃的损伤特征,其断面表现出穿晶断裂、沿晶断裂和微裂纹的形貌特征.结论 涂层脱落损伤主要源于涂层内部竖直裂纹扩展诱导的涂层断裂和界面裂纹扩展引起的粘接层脱落.涂层内部竖直裂纹的竞争作用会抑制涂层断裂,粘接层水平裂纹间的耦合作用会加速涂层脱粘.     

电沉积镍涂层钢板冲压过程的界面特性

采用ABAQUS有限元软件对电沉积镍涂层钢板的冲压成形过程进行了模拟。并用ABAQUS内置的内聚力模型来表征电沉积镍涂层钢板的界面性能。计算表明:在冲压过程中,电沉积镍涂层钢板界面法向应力在-113.765~3 MPa之间,切向应力最大为50 MPa。分析发现,在冲压过程中任意时刻凹模圆角处的界面应力最大,最后通过变换压边力、冲头与凹模间隙、摩擦系数、圆角半径分析了界面破坏的情况,研究了这些工艺参数对界面的影响,该方法以及所得结果对板料成形的生产能起到一定的指导作用。     

不同厚度TiN和TiAlN涂层残留应力分析

TiN和TiAlN涂层常应用于精冲模,采用XRD技术分析了不同厚度TiN和TiAlN涂层的相变化,并采用Sin2ψ法测量了TiN涂层和基体以及TiAlN基体的残留应力,应用显微硬度计测量了涂层的显微硬度。结果表明:TiN涂层(111)和(222)晶面存在明显择优取向,涂层残留应力分布在-2 347～-1 920MPa,基体残留应力分布在-154.9～-69.21 MPa,均随厚度增加而减小;TiAlN涂层主要相成分为Ti3Al3N2,且(107)晶面存在择优取向,基体残留应力分布在-123.7～469.5 MPa,主要呈拉应力状态,且随厚度增加而增大,对模具寿命有较大影响;TiN和TiAlN涂层显微硬度随厚度增加而增大。     

An improved specimen geometry for ASTM C633-79 to estimate bond strengths of thermal spray coatings

ASTM Standard C633-79, “Standard Test Method for Adhesion or Cohesive Strength of Flame-Sprayed Coatings,” is widely used in industry and research for evaluating bond strengths of thermal spray coatings. Tests are conducted by applying the coating to the end of a cylindrical test specimen 25.4 mm (1 in.) in diameter by 25.4 mm (1 in.) long. The coating surface is bonded to an uncoated cylinder of the same material and geometry. The force required to pull the cylinders apart is recorded. The bond strength is calculated by dividing the maximum force by the area of the 1 -in. diameter cylinder assuming that the stress is uniform over the area where the debonding occurs. A combination of finite-element stress analysis and experimental stress analysis using strain gages was used to evaluate the stresses at the interface between the coating and substrate. Finite-element analysis of the standard specimen geometry shows that the maximum stress at the coating interface can be 25 % higher than the average stress. An elongated specimen was selected, constructed, and evaluated to produce the uniform stress distribution assumed by ASTM C633-79. Strain gage measurements and epoxy tensile tests have verified that the bond strengths measured with the elongated specimen provide better estimates of bond strengths than tests with the standard specimen.     

冷喷涂改善2219铝合金熔焊接头残余应力新方法

目的采用冷喷涂技术改善2219铝合金变极性钨极氩弧焊(VPTIG)焊接接头残余应力。方法采用冷喷涂技术在8 mm厚2219铝合金VPTIG焊接接头表面进行Cu涂层制备,分析冷喷涂前后接头微观组织、力学性能及残余应力的变化,探究冷喷涂过程中高速碰撞颗粒的"喷丸效应"与加热气体的"热效应"对接头残余应力的改善作用及内在机制。结果冷喷涂前后,接头整体的微观组织无明显变化,但在焊缝表面(Cu涂层与焊缝结合面处)观察到明显的塑性变形。冷喷涂后,焊缝区上表面显微硬度提高,作用深度约2 mm(余高处);接头抗拉强度表观上稍有降低,这是由于涂层对焊缝的拉伸应变局部化改变所致,"喷丸效应"与"热效应"单独作用下,接头抗拉强度无明显变化,所有拉伸试样均从焊趾处沿着熔合区发生断裂。焊态接头残余应力分布总体呈拉应力状态,在焊缝处最大,经过冷喷涂后,焊缝残余拉应力峰值从约200MPa降到约24MPa,大部分区域从拉应力变为压应力,且分布均匀性变好。结论冷喷涂技术可以显著改善VPTIG焊接接头残余应力分布。冷喷涂粒子的"喷丸效应"对基体残余应力的改善作用显著。高温气流的"热效应"虽未能显著降低残余应力,但使应力分布变得均匀。