ZrO2／NiCoCrAlY功能梯度涂层残余应力分析

采用有限元方法研究了等离子ZrO2／NiCoCrAlY功能梯度涂层形成过程中的热力学行为以及残余应力的分布。结果表明，由于涂层与基体的热膨胀系数不匹配等原因，在界面等区域存在严重的应力集中。涂层与基体厚度比、中间层以及喷涂过程的冷却速率对残余应力水平有很大影响。涂层内部关键区域的残余应力水平，随着涂层厚度增加而增加；50％ZrO2 50％NiCoCrAlY中间层对降低涂层内部的应力水平是有利的，但并不能消除涂层内部的应力集中；对于瞬态分析而言，涂层内部的应力随着冷却速度的增加而增加。     

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。     

钢基表面热喷镍冷却过程中热力耦合场的三维有限元分析

以某钢基表面热喷镍工艺为例,对凝固冷却过程进行了简化和合理假设,基于ANSYS平台,建立了热力耦合场的三维有限元模型并进行了求解,获得了应力场和温度场分布规律,分析了涂层上某些关键点的温度和应力随时间变化的情况,讨论了涂层厚度对涂层/基体界面应力的影响.结果表明,凝固冷却时,涂层温度场沿中心向外边缘逐渐降低,随时间延长呈下降趋势;基体温度场随时间的变化呈先增加后降低趋势;涂层主要承受残余压应力,随涂层厚度增加,残余应力呈增大趋势.     

可计及温度与层状结构影响的超高温陶瓷基复合材料涂层残余热应力理论表征模型

目的创建可计及温度与层状结构共同影响的超高温陶瓷基复合材料涂层与基体层因热不匹配导致的残余热应力的理论表征模型。方法基于经典的层合板理论与超高温陶瓷基复合材料热物理性能参数对温度的敏感性研究,引入温度和层状结构对涂层与基体层所受残余热应力的影响,形成各层残余热应力温度相关性的理论表征方法,并以ZrB_2-SiC复合材料涂层为例,利用该理论方法系统地研究了各种控制机制对残余热应力的影响及其随温度的演化规律。结果超高温陶瓷基复合材料涂层与基体层所受的残余热应力随着温度的变化而变化,涂层热膨胀系数与基体层热膨胀系数差别越大,变化幅度越大。当涂层材料热膨胀系数大于基体层材料热膨胀系数时,涂层材料遭受残余拉应力,基体层材料遭受残余压应力;随着涂层厚度的增加,涂层所受拉应力减小,而基体层所受压应力增大;当涂层材料热膨胀系数小于基体层材料热膨胀系数时,涂层材料遭受残余压应力,基体层材料遭受残余拉应力;随着涂层厚度的增加,涂层所受压应力减小,而基体层所受拉应力增大。低温下,各层所受残余热应力对层厚与每层材料组成的变化比较敏感,随着温度的升高,敏感性降低。结论对于涂层材料,应设计涂层材料的热膨胀系数小于基体层材料的热膨胀系数,使涂层遭受残余压应力,这不仅能够降低材料表面产生裂纹的危险,同时可以抑制表面已有缺陷的扩展。同时应当设计相对较小的涂层厚度,以增大涂层所受的残余压应力,降低基体层所受的残余拉应力,有效提高整体材料在不同温度下的强度性能。     

Q235钢基体表面微晶玻璃功能梯度涂层的残余应力分析

运用ANSYS有限元软件对Q235钢/微晶玻璃梯度涂层复合材料在制备过程中产生的残余应力进行了数值模拟。建立了该复合材料的有限元分析模型,探讨了不同层数、层厚对该复合材料体系残余应力分布的影响。结果表明：在基体与梯度涂层的界面边缘处存在较大的应力集中;随着层数或层厚的增加,涂层表面最大径向残余压应力增大;梯度层数和涂层厚度对界面处的残余应力都有明显影响。此模拟分析结果可以为该梯度涂层复合材料的设计和制备提供理论依据和参考。     

热障涂层高温氧化应力研究

利用Abaqus软件,对热障涂层在高温热冲击下的应力、应变和残余能量变化进行了模拟研究。结果表明,冷却速率对残余应力有一定影响,且随着冷却速率的提高,涂层/基体接触面的应力随之增加,快速冷却使得涂层材料发生部分相变转化,残余应力较大;随着热循环次数的增加,涂层残余应力随之增加,第4次热循环的残余应力和第1次热循环相比,增加了1/2,同时,涂层的应变量随着热循环次数的增加呈现递增趋势,第4次热循环冷却后达到了23.109 7×10-3μm;涂层内的残余能量在4次循环后增加至15.5J,与第1次热循环残余能量相比增加了1.2 J。     

基于ANSYS生死单元法的多层等离子喷涂体系仿真

根据等离子喷涂的特点,采用ANSYS有限元软件中的单元生死法,建立多层等离子喷涂涂层体系直接热力耦合有限元模型。对等离子喷涂Ni/WC涂层每一层的温度场和应力场进行了分析。结果表明:随着沉积层的增多,涂层温度升高,至喷涂最外层时温度最高,可能会造成涂层表面烧损;喷涂端面热量积累多,对减小残余应力不利;涂层与基体结合面多次反复经历迅速升温降温,容易造成应力集中。基体与涂层的结合界面是残余应力高度集中区,其残余应力值大于涂层外表面的值;残应余力的最大值是径向拉伸应力;较低的冷却速率和冷却系数可减少残余应力的分布。     

Ti-6Al-4V基体上等离子喷涂羟基磷灰石涂层的热-力耦合和残余应力

基于热弹塑性理论建立了等离子喷涂羟基磷灰石涂层的热-力耦合模型。一方面,通过引入变形对温度的影响项对经典的Fourier瞬态热传导方程进行了修正,另一方面,在考虑了温度软化效应、应变硬化效应、和应变率强化效应后,采用适用于高温、高应变率条件下的Johnson-Cook模型作为本构方程。基于上述耦合模型,采用有限元方法对涂层内的残余应力场进行了模拟,同时还模拟了基体预热温度以及涂层厚度对残余应力的影响。为了验证数值模拟的可靠性,还采用“材料去除”的实验技术测试了涂层在界面处的残余应力。结果表明：在界面边缘有明显的应力集中;适当提高基体的预热温度有利于减小残余应力;涂层的残余应力随厚度的增加而增大。     

CVD金刚石涂层中热应力的有限元模拟

在CVD涂层系统中,由于各种材料物理性能的差异,涂层在从沉积温度冷却到室温的过程中会产生热应力,影响膜基之间的附着力.为了考察各种因素对产生热应力的影响,利用热固耦合有限元方法分析了不同沉积条件下硬质合金基体上金刚石膜的热应力情况,还讨论了有不同过渡层的情况.对各情况下的轴向、径向和剪切应力做了比较分析.结果发现沉积温度和金刚石膜厚度对热应力影响较大,而过渡层厚度和物理性能对热应力影响不大.     

Plasma spraying of functionally graded yttria stabilized zirconia/NiCoCrAlY coating system using composite powders

Pre-alloyed and plasma spheroidized composite powders were used as the feedstock in the plasma spraying of functionally graded yttria stabilized zirconia (YSZ)/NiCoCrAlY coatings. The ball milling parameters of the composite powders and the plasma spraying parameters for preparing functionally graded materials (FMGs) coatings were optimized to obtain the best performance for the thermal barrier coatings (TBCs). Microstructure, physical, mechanical, and thermal properties of YSZ/NiCoCrAlY FGMs coatings were investigated and compared with those of traditional duplex coatings. Results showed that the advantages of using pre-alloyed composite powders in plasma spraying were to ensure chemical homogeneity and promote uniform density along the graded layers. Microstructure observation showed the gradient distribution of YSZ and NiCoCrAlY phases in the coating, and no clear interface was found between two adjacent different layers. Oxidation occurred during plasma spray and the resultant aluminum oxide combines with YSZ in a wide range of proportions. The bond strength of functionally graded coatings was about twice as high as that of the duplex coatings because of the significant reduction of the residual stresses in the coatings. The thermal cycling resistance of functionally graded coating was much better than that of duplex coating.     

TiAlN涂层的热残余应力分析

采用有限元方法分析氮铝钛涂层的残余热应力,研究不同的基体及过渡层对残余热应力分布的影响。结果表明：当基体为硬质合金时,涂层内以拉应力为主,而基体为不锈钢时,涂层内以压应力为主;增加过渡层可以使涂层内的残余应力减少40%以上;硬质合金基体中涂层的拉应力随基体钴含量和涂层厚度的增加而减少;无过渡层时,不锈钢基体存在明显的塑性约束区,有过渡层时,随着界面应力的减少,塑性约束区明显减小或消失。因此,通过不同的涂层和基体搭配可以改善应力场,同时增加过渡层可以缓和界面应力和增强界面结合力。     

Stress analysis of high temperature ZrO2 insulation coatings on Ag using finite element method

The aim of this study is to investigate residual stresses occurred during cooling procedure of ZrO₂ insulation coating on Ag substrate for magnet technologies. ZrO₂ coatings were produced on Ag tape substrate by using a reel-to-reel sol–gel technique. SEM inspection showed that ZrO₂ coatings had mosaic structures. ANSYS finite element software was used to calculate the temperature and stress distribution of the ZrO₂/Ag structure. The effect of coating thickness on residual stresses was also examined. The results obtained showed that thermal stresses in ZrO₂ coating and Ag substrate were considerably affected by the cooling time and coating thickness. It is concluded the thermal stresses increase with increase of film thickness.     

Through-thickness determination of phase composition and residual stresses in thermal barrier coatings using high-energy X-rays

High-energy X-rays were used to determine the local phase composition and residual stresses through the thickness of as-sprayed and heat-treated plasma-sprayed thermal barrier coatings consisting of a NiCoCrAlY bond coat and an yttria-stabilized zirconia (YSZ) topcoat produced with through-thickness segmentation cracks. The as-sprayed residual stresses reflected the combined influence of quenching stresses from the plasma spray process, thermal expansion mismatch between the topcoat, bond coat and substrate, and stress relief from the segmentation cracks. Heat treatments led to the formation of a thermally grown oxide (TGO) which was in compression in the plane, as well as relief of quenching stresses and development of a stress gradient in the YSZ topcoat. The high-energy X-ray technique used in this study revealed the effects that TGO and segmentation cracks have on the in-plane stress state of the entire coating.     

Cross-Sectional Residual Stresses in Thermal Spray Coatings Measured by Moiré Interferometry and Nanoindentation Technique

A plasma-sprayed thermal barrier coating (TBC) was deposited on a stainless steel substrate. The residual stresses were firstly measured by moiré interferometry combined with a cutting relaxation method. The fringe patterns in the cross-section of the specimen clearly demonstrate the deformation caused by the residual stress in thermal spray coatings. However, restricted by the sensitivity of moiré interferometry, there are few fringes in the top coat, and large errors may exist in evaluating the residual stress in the top coat. Then, the nanoindentation technique was used to estimate the residual stresses across the coating thickness. The stress/depth profile shows that the process-induced stresses after thermal spray are compressive in the top coat and a tendency to a more compressive state toward the interface. In addition, the stress gradient in the substrate is nonlinear, and tensile and compressive stresses appear simultaneously for self-equilibrium in the cross-section.     

等离子喷涂ZrO2—NiCoCrAlY梯度热障涂层的抗热震性及失效机理

研究了ZrO2-NiCoCrAlY热障涂层的抗热震性和热震失效机理。实验结果表明,梯度热隙涂层能明显延缓热震裂纹的形成和扩展,具有较高的抗热震性。热震裂纹形成与扩展主要在粘结层与基体的界面处。随热循环次数的增加,热震裂纹可在表面陶瓷层内和陶瓷层与过渡层的界面处形成。实验表明热障涂层热震失效的过程主要是裂纹形成、扩展及涂层剥落,粘结层的氧化是导致涂层剥落失效的重要原因。     

等离子喷涂热障陶瓷涂层冷却累计残余应力的有限元模拟与验证

目的 为有效预测等离子喷涂热障涂层冷却过程中累积的残余应力,降低残余应力对涂层稳定性的影响,需寻求可靠的热障涂层应力检测方法。方法 利用有限元分析软件,采用生死单元法建立了等离子喷涂ZrO₂涂层的有限元模型,高斯热源模拟等离子喷涂热源工况,研究涂层冷却至室温的残余应力及其分布。使用X射线衍射法、拉曼光谱法对等离子喷涂制备的ZrO₂涂层进行残余应力检测。结果 通过有限元模拟结果可以看出,喷涂涂层冷却到室温后其中心区域的残余应力与边缘位置相比较大,主要集中在热流中心区域;每层涂层结合界面处会产生较大应力,致使应力沿涂层厚度方向变化明显。涂层的等效应力为160～220 MPa。采用X射线衍射法检测涂层存在180～185MPa残余应力。标定ZrO₂涂层的拉曼-应力因子为8.33 (cm·GPa)^-1,计算得到涂层存在残余应力为174～180 MPa。对喷涂试样进行拉伸试验后,其残余应力有一定程度的释放。结论 使用有限元能有效模拟等离子喷涂至室温时涂层内部残余应力,与XRD、拉曼光谱检测结果具有良好的匹配性,...     

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。