Fatigue Behavior and Damage Evolution of SiC Fiberreinforced Ti-6Al-4V Alloy Matrix Composites

研究SiC纤维增强钛基复合材料(SiCf/Ti-6Al-4V)室温疲劳行为和损伤演化机制。疲劳试验条件:载荷控制、应力比0.1和加载频率10 Hz。采用疲劳断裂试验建立最大加载应力为600~1200 MPa内SiCf/Ti-6Al-4V的S-N曲线。采用疲劳中止试验以及SEM显微分析研究应力水平对SiCf/Ti-6Al-4V疲劳损伤演化的影响。结果表明,SiCf/Ti-6Al-4V疲劳损伤萌生模式与演化过程与应力水平密切相关。在高应力水平(Smax=1000 MPa),纤维开裂是主要损伤萌生模式。一旦2或3根纤维断裂后,纤维裂纹和基体裂纹开始联接并形成宏观扩展裂纹。在中等应力水平(Smax=800 MPa),基体裂纹萌生与扩展是主要损伤模式。多条基体裂纹萌生于试样外表面棱边和离外表面附近试样内部开裂的纤维基体界面处。基体裂纹均沿垂直于加载方向扩展,且大部分纤维未断裂并纤维桥接基体裂纹。在低应力水平(Smax=600 MPa),仅在C涂层和界面反应层之间和C涂层内部观察到局部界面脱粘现象。     

SiC纤维增强Ti-6Al-4V复合材料的疲劳行为及损伤演化研究（英文）

研究SiC纤维增强钛基复合材料(SiCf/Ti-6Al-4V)室温疲劳行为和损伤演化机制。疲劳试验条件:载荷控制、应力比0.1和加载频率10 Hz。采用疲劳断裂试验建立最大加载应力为600~1200 MPa内SiCf/Ti-6Al-4V的S-N曲线。采用疲劳中止试验以及SEM显微分析研究应力水平对SiCf/Ti-6Al-4V疲劳损伤演化的影响。结果表明,SiCf/Ti-6Al-4V疲劳损伤萌生模式与演化过程与应力水平密切相关。在高应力水平(Smax=1000 MPa),纤维开裂是主要损伤萌生模式。一旦2或3根纤维断裂后,纤维裂纹和基体裂纹开始联接并形成宏观扩展裂纹。在中等应力水平(Smax=800 MPa),基体裂纹萌生与扩展是主要损伤模式。多条基体裂纹萌生于试样外表面棱边和离外表面附近试样内部开裂的纤维基体界面处。基体裂纹均沿垂直于加载方向扩展,且大部分纤维未断裂并纤维桥接基体裂纹。在低应力水平(Smax=600 MPa),仅在C涂层和界面反应层之间和C涂层内部观察到局部界面脱粘现象。     

LY12铝合金微弧氧化涂层组织结构对基体疲劳性能的影响

在硅酸盐体系电解液中于铝合金表面制备出不同厚度的微弧氧化涂层,研究涂层厚度对基体疲劳寿命的影响,并揭示疲劳损伤机制.采用XRD、SEM、EDS等分析手段分析涂层的物相与组织结构.用810 Material Test System 疲劳试验机评价涂层试样的疲劳寿命.结果表明,铝合金微弧氧化涂层主要由γ-Al_2O_3和a-Al_2O_3组成,涂层内层致密,表面多微孔.随氧化时间延长,涂层厚度增大,但表面粗糙度增加.疲劳测试结果表明,微弧氧化涂层会降低基底铝合金的疲劳寿命,涂层厚度增加,疲劳寿命下降显著.相对于基体铝合金,涂层厚度为10,18,30 mm的试样,疲劳寿命分别下降了4.4%,8.5%,32.2%.疲劳断口分析认为,涂层局部过度长入基体产生缺陷部位,在循环载荷作用下,容易产生应力集中,从而萌生疲劳源,使铝合金的疲劳寿命下降.     

元素扩散对镍基合金涂层热疲劳性能的影响

利用热喷涂技术在铜合金表面制作了镍基合金涂层.通过金相显微镜、扫描电镜分析研究了涂层界面显微结构和元素扩散情况及对涂层的抗热疲劳性能的影响.结果表明,合金元素在涂层/基体界面附近连续分布,并在涂层/基体界面呈陡然变化.热处理时涂层/基体界面区出现互扩散层,温度和时间的增加可以改善Cu元素向涂层扩散的能力,整个热处理过程中温度是主要因素,时间是次要因素,元素扩散提高了镍基合金涂层的抗热疲劳能力,使得涂层在550 ℃试验条件下,经85次热循环后未出现裂纹扩展及剥落现象.     

偏压梯度TiAlN涂层对TC4钛合金振动与拉伸疲劳性能的影响与机理

目的 探究偏压梯度TiAlN涂层对基体疲劳性能的影响规律和疲劳损伤机理。方法 利用磁过滤阴极真空弧技术和连续改变偏压的沉积工艺,在TC4钛合金表面沉积了偏压梯度TiAlN涂层,并采用扫描电镜、轮廓仪、纳米压痕和划痕仪表征测试了TiAlN涂层的微观结构和内应力、表面硬度、膜基结合力等基本力学性能。对TiAlN涂层试件的振动和拉伸疲劳性能分别进行了考核,通过观察试件疲劳断口形貌,探究了偏压梯度TiAlN涂层/基体的疲劳损伤机理。结果 TiAlN涂层中Al元素含量沿深度方向一直在降低,偏压工艺成功制备出梯度结构涂层。偏压梯度TiAlN涂层的内应力为压缩状态,数值为(2.66±0.23) GPa,显著低于对应恒压涂层(‒200 V)。偏压梯度TiAlN涂层试件平均振动强度和拉伸疲劳强度分别为370.90、377.90 MPa,前者相对于TC4基体提高了47.7%,后者几乎保持不变。结论 TiAlN涂层内部存在残余压应力,具有一定抗裂纹萌生能力,TC4钛合金表面制备偏压梯度TiAlN涂层后,两种受载类型下的疲劳裂纹源均位于涂层与基体界面处。振动受载时,涂层中梯度结构抑制了裂纹的扩展,疲劳强度提高;拉伸受载时,TiAlN涂层部分发生破碎,抑制裂纹萌生与促进裂纹扩展两种机制同时存在,疲劳强度几乎不变。     

喷涂层下基体疲劳裂纹的超声红外热成像检测

目的 验证一种喷涂层下基体疲劳裂纹红外热成像识别方法。方法 综合采用理论分析、数值模拟和试验研究相结合的方法,基于热波传导理论分析超声波激励下基体裂纹产生的热波与喷涂层裂纹产生的同频率热波,在向涂层表面传播过程中发生的叠加干涉效应,以及由此导致的表面热波相位偏移现象。采用数值模拟手段研究涂层裂纹热波与基体裂纹热波之间的叠加干涉规律,开展喷涂层下基体疲劳裂纹的超声红外热成像检测试验验证该方法的有效性。结果 受到脉冲超声波激励后,基体裂纹与涂层裂纹产生的热波向表面传导过程中会发生叠加干涉效应,并导致涂层表面热波相位发生偏移,低频热波相位偏移现象比高频热波更加明显。结论 采用涂层表面热波相位特征识别涂层下基体中的疲劳裂纹是一种可行且高效的方法。     

微弧表面处理对AZ31B镁合金耐腐蚀及耐腐蚀疲劳性能的影响

采用微弧表面处理技术(微弧氧化MAO和微弧复合MCC)在AZ31B镁合金基体上制备出不同断面结构的防护涂层。通过电化学腐蚀及腐蚀疲劳测试方法,研究了MAO、MCC涂层的电化学腐蚀及腐蚀疲劳性能。结果表明,生长10 min的MAO涂层具有较好的耐电化学腐蚀性能。MAO涂层表面存在微孔和微裂纹,在应力条件下微孔和微裂纹作为疲劳断裂的裂纹萌生点,可加速裂纹的萌生与扩展,使其腐蚀疲劳寿命相较AZ31B合金基体降低了55%。而具有MCC涂层的AZ31B合金试样腐蚀疲劳极限为(64.0±5.4) MPa,比AZ31B合金基体提高了59%。在低应力载荷下(＜80 MPa),微弧复合涂层试样的腐蚀疲劳强度得到明显提高。     

不锈钢管道焊缝金属疲劳短裂纹行为的实验研究Ⅰ.材料微观结构和研究方法

用金相、复型技术和硬度实验测试了1Crl8Ni9Ti不锈钢焊缝金属试样表面的微观结构组成.结果表明:奥氏体基体与富δ铁素体-带状结构组成的柱状晶是焊缝材料的微观结构特征,相邻富δ铁素体带间距离(约40 μm)是这一结构的特征参量.试样表面的微观结构依相对焊缝柱状晶取向的不同而不同.考虑疲劳损伤的局部性和区别试样表面不同尺度、位置微裂纹对疲劳损伤贡献的差异,提出了以"有效短裂纹准则"为核心的疲劳短裂纹行为研究方法.     

（Ti，Al）N涂层对不锈钢基材疲劳性能的影响

采用多弧离子镀技术在马氏体不锈钢1Cr11Ni2W2MoV表面分别沉积Ti70Al30N及梯度（Ti,Al）N涂层.涂层试样的疲劳试验在旋转弯曲疲劳实验机上室温下进行,研究了涂层试样与基体材料的疲劳强度、寿命及疲劳断裂机理.结果表明：施加Ti70Al30N涂层样品与梯度（Ti,Al）N涂层样品的条件疲劳极限较1Cr11Ni2W2MoV不锈钢基材的疲劳极限分别提高约7%及8%;施加涂层提高不锈钢基材疲劳寿命的原因主要在于Ti70Al30N涂层与梯度（Ti,Al）N涂层中的残余压应力作为滑移变形的阻力可阻碍疲劳裂纹的萌生与扩展.     

EB-PVD热障涂层的结构演变与表面拉曼光谱特性

热障涂层被广泛应用于航空发动机和燃气轮机等高温部件,其破坏机理和无损检测手段是研究中急需解决的问题。采用EB-PVD方法制备了陶瓷层厚度分别为180、120和90μm的3组热障涂层试样,经1 000℃高温氧化0、1、10、50和100h后,用HR800激光显微拉曼光谱仪测得试样表面的拉曼光谱特性,利用扫描电镜(SEM)观测了试样内部裂纹及氧化层(TGO)厚度的演变。研究表明,EB-PVD热障涂层裂纹主要发生在陶瓷层内部及陶瓷层与粘结层的界面处,粘结层和基体界面处产生裂纹的概率相对较小;同等条件下,增大陶瓷层的喷涂厚度,可以减缓氧化层的生长速度,但是会增大陶瓷层表面应力;热障涂层表面残余应力会随着热氧化时间的增加而增大,当表面残余应力减小时表明陶瓷层中有明显的裂纹或脱落产生。     

La2O3对激光熔覆铁基JG-8合金组织与性能的影响

采用激光熔覆技术在27SiMn钢基体表面成功制备了不同La_2O_3含量的铁基JG-8合金复合涂层,系统地研究了添加La_2O_3对铁基JG-8合金复合涂层组织及性能的影响。利用X射线衍射仪(XRD)和配有能谱仪(EDS)的扫描电子显微镜(SEM)对铁基JG-8合金复合涂层的物相结构和显微组织进行分析测试,通过显微硬度仪和摩擦磨损试验机对铁基JG-8合金复合涂层的硬度以及摩擦学性能进行分析评估。结果表明,La_2O_3的添加可有效细化组织,使晶粒由原本的柱状晶转变为细小的胞状结构。铁基JG-8合金复合涂层的硬度随着La_2O_3含量的增加呈现先增大后减小的趋势,其中0.8%La_2O_3(质量分数)铁基JG-8合金复合涂层的硬度(HV0.3)(5327MPa)最高,与未添加La_2O_3的铁基JG-8涂层相比,0.8%La_2O_3铁基JG-8合金复合涂层的硬度提升了19.4%。在摩擦磨损过程中未添加La_2O_3的铁基JG-8涂层主要磨损机制为粘着磨损和疲劳磨损,0.8%La_2O_3铁基JG-8合金复合涂层的主要磨损机制为磨粒磨损,0.8%La_2O_3铁基JG-8合金复合涂层的体积磨损量最低,为27SiMn钢基体的22.9%。     

钛合金表面电弧离子镀TiAlN涂层的耐高温性能

采用独立的高纯钛靶和铝靶,在TC4钛合金基材表面以电弧离子镀工艺沉积制备了TiAlN涂层。利用扫描电子显微镜(SEM)对比分析了钛合金基体和涂层热疲劳及氧化前后的表面形貌,利用能谱仪(EDS)分析了氧化前后的表面成分变化,利用X射线衍射(XRD)分析了氧化前后的相结构。结果表明,TiAlN涂层表现出很好的高温抗氧化性能和热疲劳抗力,显著改善了TC4钛合金在高温环境下的使用性能。     

热喷涂制备Fe基非晶合金涂层的研究进展

从非晶形成理论、热喷涂制备Fe基非晶涂层两个方面对热喷涂制备Fe基合金涂层研究进行了综述,并对热喷涂制备该涂层未来的发展进行了展望.     

钢结硬质合金表面化学镀钴-磷层的热疲劳特性

采用自约束热疲劳试验法研究了钢结硬质合金表面化学镀钴-磷层的热疲劳特性。研究了热疲劳后镀层的损伤及热裂纹的萌生与扩展特征。探讨了热疲劳寿命与镀层厚度和热循环次数的关系。结果表明,在热循环初期镀层表面所形成的氧化膜与镀层结合良好,阻止了镀层的进一步氧化腐蚀,提高了镀层的热疲劳性能。     

氧乙炔火焰喷焊合金层组织与性能的试验研究

利用火焰喷焊法在16Mn钢表面得到铁基合金喷焊层和镍基合金喷焊层，并对两种合金层进行了显微组织，X射线衍射，硬度和腐蚀介质下的耐磨性以及热疲劳性能试验。结果表明，上述两种合金层组织都具有亚共晶型枝晶生长特征，但铁基合金层枝晶发达，镍基合金层枝晶细小均匀，合金喷焊层均由γ固溶体和各种化合物硬质相所组成，焊态时镍基合金层比铁基合金层的硬度和耐磨性高，时效处理后铁基合金层的硬度和耐磨性都明显增加，镍基合金层却略有降低；合金喷焊层在HCl介质中的耐磨性小于在中性水中的耐磨性，镍基合金层比铁基合金层具有较好的抗热疲劳性能；时效处理能改善合金层的抗热疲劳性能。     

面向盾构机密封跑道修复的激光熔覆Fe基涂层制备工艺

为探究激光熔覆再制造修复工艺对盾构机密封跑道磨痕的修复效果,采用送粉式激光熔覆工艺在42CrMo钢基体表面制备了Fe55铁基自熔合金涂层。基于L₁₆(4³)正交试验探究了激光功率、熔覆速率和搭接率对涂层表面形貌、横截面特征参数、稀释率、显微组织、硬度的影响规律和作用机理。极差分析表明,稀释率随激光功率和熔覆速率的增加均呈上升趋势,其中激光功率对涂层硬度影响最大,最大涂层硬度约为基体硬度的2.15倍。Fe55涂层的摩擦因数较基体明显降低,涂层耐磨性优良,其磨损体积较基体降低1.09×10^-2 mm³,主要磨损机制为磨粒磨损和疲劳磨损。     

超音速火焰喷涂Fe基非晶合金涂层材料的摩擦磨损性能研究

目的通过优化涂层制备工艺,制备致密的Fe基非晶合金涂层,以提高非晶合金涂层的耐磨性。方法采用活性燃烧高速燃气超音速火焰喷涂(AC-HVAF)技术,通过工艺优化,制备了组织致密的Fe基非晶合金涂层。利用场发射扫描电子显微镜、X射线衍射仪、维氏显微硬度计、摩擦磨损试验机、三维光学轮廓仪等设备,对非晶合金涂层的组织结构、摩擦性能和磨损机制进行了深入分析。结果 Fe基非晶合金涂层呈现典型的非晶结构,涂层厚度在300μm左右,涂层的平均显微硬度值高达1000HV0.1。在干摩擦试验条件下,Fe基非晶合金涂层的磨损量远低于304不锈钢材料,磨损率是304不锈钢基体的1/3~1/2。Fe基非晶合金涂层的磨损机制以疲劳磨损为主,伴随着氧化磨损。氧化磨损主要是由干摩擦过程中产生的摩擦热导致,氧化磨损加速了片层剥落。结论 Fe基非晶合金涂层孔隙率的降低和非晶相含量的提高,有利于稳定摩擦系数和改善涂层的耐磨损性能。     

Thermal fatigue resistance of plasma sprayed yttria-stabilised zirconia onto borided hot work tool steel, bonded with a NiCrAlY coating: Experiments and modelling

Repeated fast surface temperature transients can damage the materials and/or their surface treatments by thermal fatigue. This happens in aluminium diecasting devices. One conducted thermal fatigue tests with samples of hot work tool steel, respectively untreated, simply borided and protected by a multi-layer. In the last case, top coat is yttria stabilised zirconia (YSZ), followed by a nickel superalloy and then a borided layer (undercoat). The zirconia coating was applied with plasma spray. The multi-layer showed poor resistance during the thermal fatigue tests. Better understanding these tests and the resulting thermal fatigue observed on the treated materials was achieved by a lifetime model based on Coffin-Manson equations.     

热喷涂Fe基非晶涂层耐腐蚀性与孔隙率研究进展

热喷涂Fe基非晶合金涂层的综合性能优异,特别是在耐磨、耐腐蚀方面具有传统晶体材料无可比拟的优势,因而广泛应用于材料表面的防护领域。然而热喷涂涂层为典型的层状结构,涂层内部会存在一定量的孔隙,致使涂层耐腐蚀性能下降。首先介绍了热喷涂Fe基非晶涂层的腐蚀机理及其影响因素,总结了热喷涂涂层孔隙产生的机制、分类和影响因素。接着重点介绍了孔隙与热喷涂Fe基非晶涂层耐腐蚀性之间关系的研究进展。最后,通过对热喷涂涂层的形成过程与孔隙形成机理进行分析,粒子铺展变形能力差是显著影响涂层形成时粒子相互嵌套叠加和变形能力的主要原因。所以,Fe基非晶涂层可以从改变喷涂粉末成分和粒度、第二项粒子加入及喷涂工艺参数优化等措施,来改善粒子铺展变形能力,提高致密度。采用激光快速表面重熔技术对涂层微表层进行快速重熔处理,同样可以达到降低涂层孔隙率、提高涂层耐腐蚀性的目的。     

激光熔覆原位合成陶瓷相增强铁基熔覆层的组织和性能

利用6 kW光纤激光器在Cr12MoV汽车模具钢表面激光熔覆含有Ti-Fe,B₄C粉末的铁基合金粉,在汽车模具钢表面直接原位合成TiC+TiB₂颗粒增强的铁基合金复合涂层.涂层与基体呈良好的冶金结合,涂层组织细小,结构致密,宏观质量较好. XRD分析结果表明,涂层组织由α-Fe,TiC,TiB₂组成. TiC,TiB₂相均匀分布于熔覆层中.由于TiC,TiB₂硬质相的形成以及激光的快速凝固冷却获得的细晶组织,使得熔覆层的显微维氏硬度有了明显提高.在距离熔覆层表面1.2 mm处显微维氏硬度高达1000 HV,有利于促进熔覆层耐磨性的提高.