几种硬质履层体在滑动接触时的性能比较

在运用有限元软件,分别对在受相同表面载荷作用下的单覆层体、三明治覆层体及梯度覆层体的滑动接触进行了弹一塑性计算。结果表明梯度硬覆层体在改善界面附近应变、应力场及裂纹应力分布场等方面比其它覆层体具有较明显的优点。三明治层能有效地减小膜层与基体间的应力值,且在界面处裂纹尖端处的应力也很小,但接近界面处的应力、应变梯度却很大。普通多层膜与单层膜相比,应力、应变分布没有很大的改进。     

激光熔覆WC-Ni基超硬梯度复合涂层的组织与性能

利用激光宽带熔覆技术在45钢表面制备了WC-Ni基超硬梯度复合涂层.对激光熔覆层用SEM、EDS、XRD进行观察和分析.对比研究了单一熔覆层、梯度熔覆层的熔覆层形貌、缺陷状态、硬度及其分布.结果表明,单一熔覆层易出现宏观裂纹、界面处熔合差等缺陷;梯度激光熔覆层逐级过渡的结合形式缓解了应力集中,使应力合理分布.在优化的工艺参数下,通过连续控制微观结构要素,可以实现成分、组织的梯度变化,获得无气孔、无裂纹的梯度熔覆涂层.其中,梯度熔覆层组织主要是由γ-Ni、WC等相组成,涂层的硬度值从熔覆层至基体呈梯度降低趋势,外层平均硬度可达2000 HV0.1以上.     

缺陷类型对FGH95粉末高温合金界面开裂行为影响的模拟

为了研究缺陷类型对粉末高温合金缺陷处应力应变分布的影响,通过弹性模量表征,将缺陷分为硬夹杂(弹性模量大于基体)、软夹杂(弹性模量小于基体)、孔洞(弹性模量为0)。用有限元模型模拟了弹塑性条件下不同类型缺陷对缺陷/基体界面应力应变分布的影响。结果表明,缺陷类型对界面附近应力应变分布影响明显。在该研究的基础上,分析了不同类型缺陷的致裂机制,即:当界面粘接强度较低时,界面应力是评价界面附近破坏的主要参量,当界面粘接强度较高时,基体最大主应力和基体最大塑性应变是评价界面附近破坏的主要参量。分析了当界面结合强度较强、较弱(相对于基体)两种情况下,硬夹杂和软夹杂的界面裂纹在外加载荷作用下的演变过程。从断口上观察分析了源区含不同类别夹杂开裂形貌,其开裂行为与模拟结果一致,验证了模拟的有效性。     

SiCp／LD2复合材料的微区力学性能

用ＵＭＨＴ３ 型超显微硬度仪测试ＳｉＣｐ／ＬＤ２ 复合材料界面附近基体中的硬度值, 结果表明,由于热膨胀系数差异, 复合材料中的热残余应力超过基体的屈服极限, 导致界面附近基体内存在热残余应变, 并使基体应变硬化, 因而超显微硬度值的变化可以反映热残余应变的分布状况。界面附近基体的超显微硬度随颗粒尺寸、距界面的距离和颗粒的尖锐程度而变化, 与有关复合材料中热残余应变分布的计算结果吻合。     

镍基高温合金表面激光熔覆Inconel738合金层的开裂行为

针对镍基高温合金叶片强化与修复的需求,在高温合金K438基体上激光熔覆Inconel 738合金涂层。分析了基体组织及熔覆层中微观缺陷对熔覆层裂纹的影响。结果表明,激光熔覆时大多数裂纹是从基体一侧形成后深入到熔覆层中或产生于层与层之间的搭接区,裂纹沿晶界扩展。沿晶界分布的低熔点共晶物是主要的裂纹源。激光熔覆时,晶界处的γ/γ′低熔点共晶物熔化,形成晶界液膜,冷却时,在残余拉应力的作用下被拉开,形成裂纹,裂纹一旦形成就会沿晶界迅速扩展。     

灰铸铁表面激光熔覆陶瓷梯度涂层的热力特征分析

以HT250灰铸铁表面激光熔覆Al2O3陶瓷过程为研究对象,建立直接熔覆与梯度熔覆两种工艺下的数值模型,对其温度场、应力场进行定量研究。计算结果表明,在相同工艺参数情况下,梯度涂层能够达到更高温度,多层熔覆过程中热量呈累积趋势。灰铸铁基体与Al2O3陶瓷涂层界面两端易出现应力突变和拉应力集中,是裂纹萌生的危险部位。相比陶瓷直接熔覆,梯度熔覆能缓和材料参数差异的影响,有效降低界面及熔覆层的拉应力。     

热冲击条件下倒装组装微焊点的可靠性——裂纹生长机理

研究热冲击条件下细间距倒装微焊点的裂纹萌生及扩展,通过观察裂纹生长路径,并结合累积塑性应变能密度及应变在焊点上的分布,分析裂纹的生长机理. 结果表明,裂纹形成在微焊点外侧,位于镍焊盘界面IMC与焊料基体之间的界面上;随着循环次数的增加,裂纹进入镍焊盘附近的焊料基体中,沿着焊盘平行的方向扩展,累积塑性应变能密度及应变在微焊点上的分布与裂纹扩展方向一致. 对裂纹生长机理探讨可知,IMC与微焊点之间的界面处于双重应力集中状态,因此裂纹易在微焊点及IMC之间的界面上萌生;随着循环次数的增加,焊料基体的塑性变形增加,高塑性的焊料区域为裂纹扩展提供了条件.     

定向凝固Ni基熔覆涂层热震行为

采用激光熔覆定向凝固技术修复损伤定向凝固涡轮叶片,研究熔覆层在1000℃高温下的热震性能.自配粉末l和粉末2制备熔覆层进行对比.热震实验结果表明:粉末2熔覆层抗冷热冲击性能优于粉末1熔覆层;366次热震实验后,粉末1熔覆层组织开裂,基本剥离基体,熔覆层失效;404次热震实验后,粉末2熔覆层部分剥离基体,熔覆层内部分布着细小的裂纹,多数裂纹平行于结合带方向,熔覆层失效;熔覆层失效首先是由于熔覆层与基体结合带产生裂纹;熔覆层内部产生裂纹大多产生于层与层之间的过渡区域;为提高涂层抗冷热冲击性能,应减小熔覆层与基体的热膨胀系数差异,采用合适的工艺参数,减小层与层之间的横向应力,保证多层熔覆层之间的良好过渡.     

激光熔覆钛基生物陶瓷涂层的制备及其界面研究

利用高功率CO_2激光器在Ti-6Al-4V合金表面制备含有生物活性陶瓷相的梯度生物陶瓷涂层.利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和电子探针(EPMA)等对熔覆层和界面的显微组织、相组成及成分进行分析.结果表明:激光熔覆复合涂层中生成了羟基磷灰石和磷酸三钙等生物活性相,凹凸不平的表面出现网络交错的片状结构和微孔(孔径为0.5～2μm),有利于新骨沿着表面及内部连通微孔攀附生长.涂层与基体界面处存在涂层成分(Ca,P)与基体成分(Ti,Al,V)的互扩散,涂层与基体通过扩散反应形成牢固的冶金结合.残余应力在界面结合区域出现峰值,陶瓷层和过渡层界面附近为221 MPa,涂层与基体界面附近为108 MPa,从涂层到基体残余应力逐渐减小.     

铝合金表面激光熔覆NiCrAl+Y_2O_3硬质合金涂层裂纹产生机理的研究

为了研究硬质合金涂层裂纹产生的机理,在6061铝合金表面激光熔覆NiCrAl+Y_2O_3硬质合金涂层,通过观察金相组织分析了熔覆层中裂纹的产生原因和分布。研究结果表明,裂纹是在热应力和拘束应力作用下,发生的应变大于熔覆层的延性而产生的,属于低塑性脆化裂纹。裂纹均分布于熔覆层中,大部分裂纹萌生于熔覆层表层和靠近结合区的区域,呈纵向和横向扩展。纵向裂纹的产生受两侧基体拉应力的影响较大,横向裂纹则受组织分布、热应力、气孔以及基材应力状况等多种因素的影响。     

Residual Strain and Fracture Response of Al2O3 Coatings Deposited via APS and HVOF Techniques

The aim of this investigation was to nondestructively evaluate the residual stress profile in two commercially available alumina/substrate coating systems and relate residual stress changes with the fracture response. Neutron diffraction, due to its high penetration depth, was used to measure residual strain in conventional air plasma-sprayed (APS) and finer powder high velocity oxy-fuel (HVOF (θ-gun))-sprayed Al₂O₃ coating/substrate systems. The purpose of this comparison was to ascertain if finer powder Al₂O₃ coatings deposited via θ-gun can provide improved residual stress and fracture response in comparison to conventional APS coatings. To obtain a through thickness residual strain profile with high resolution, a partially submerged beam was used for measurements near the coating surface, and a beam submerged in the coating and substrate materials near the coating-substrate interface. By using the fast vertical scanning method, with careful leveling of the specimen using theodolites, the coating surface and the coating/substrate interface were located with an accuracy of about 50 μm. The results show that the through thickness residual strain in the APS coating was mainly tensile, whereas the HVOF coating had both compressive and tensile residual strains. Further analysis interlinking Vickers indentation fracture behavior using acoustic emission (AE) was conducted. The microstructural differences along with the nature and magnitude of the residual strain fields had a direct effect on the fracture response of the two coatings during the indentation process.     

等离子喷涂金属/陶瓷梯度热障涂层研究进展

热障涂层在众多领域具有重要的应用价值,但基体与涂层的物理性能不匹配是遏制其服役性能和寿命提高的主要原因。金属/陶瓷梯度热障涂层通过逐渐改变涂层内部的成分、结构,可有效地改善基体和涂层因物理性能突变而导致的界面失效问题。首先介绍了金属/陶瓷梯度热障涂层对比于双层热障涂层的独特微观结构,并简要分析了其具有明显性能优势的原因。随后总结了金属/陶瓷梯度热障涂层残余应力的具体分布、影响因素和模拟模型优化现状,重点从优化涂层制备工艺、改进喷涂技术、改善涂层设计三个方面,介绍了改善涂层性能的研究进展。其中优化球磨和喷涂工艺参数、模拟研究喷涂过程、改进喷涂技术的方式是通过提高涂层质量来提升其物理性能,而改变涂层成分分布形式、涂层层数和厚度主要是通过改善涂层残余应力分布和水平来提升其抗热失效能力。最后提出了进一步优化模拟模型、改进喷涂技术、创新涂层设计和完善机理研究,是未来等离子喷涂金属/陶瓷梯度热障涂层的重点研究方向。     

激光熔覆对改善等离子涂层界面结合性能的研究

研究激光熔覆对改善等离子涂层界面的作用,基体待喷表面采用激光熔覆工艺预处理,在涂层－基体的界面处形成成分、显微硬度呈梯度分布的熔覆层,三点弯曲试验结果表明：界面梯度有显改善喷涂材料的界面结合状况,使界面承受外载茶的能力提高,并用相关的有限元程序分析了试样承载时界面处剪切应力的分布。     

硬质颗粒重复冲击TiN/Ti涂层损伤分析

航空发动机压气机叶片表面制备硬质涂层可显著提高其抗砂尘冲蚀性能,但砂粒高角度冲击对涂层损伤严重,易出现脆性裂纹。采用受控动能型重复冲击设备模拟硬质颗粒对涂层的高角度冲击,研究调制比、层数结构对TiN/Ti涂层冲击损伤的影响,并根据涂层损伤特征、冲击力学响应以及应力分布分析涂层的破坏机理。结果表明,TiN/Ti涂层出现剥落和圆周裂纹;硬质层内部、硬质层与结合层/过渡层界面存在高的应力梯度,而冲击坑点边缘硬质层上表层受到拉应力且由于材料堆起,在重复冲击下将导致涂层的疲劳剥落和圆周疲劳裂纹。调制比、层数显著影响涂层冲击响应过程,其中不同调制比的2层涂层,调制比为3:1的抗冲击性能较好;调制比为9:1的不同层数涂层,4层结构的抗冲击性能较好。     

Effect of a laser pre-quenched steel substrate surface on the crack driving force in a coating–steel substrate system

A mechanical model of a coating/laser pre-quenched steel substrate specimen with a crack oriented perpendicular to the interface between the coating and the hardened layer is developed to quantify the effects of the residual stress and hardness gradient on the crack driving force in terms of the J-integral. It is assumed that the crack tip is in the middle of the hardened layer of the pre-quenched steel substrate. Using a composite double cantilever beam model, analytical solutions can be derived, and these can be used to quantify the effects of the residual stress and the hardness gradient resulting from the pre-quenched steel substrate surface on the crack driving force. A numerical example is presented to investigate how the residual compressive stress, the coefficient linking microhardness and yield strength and the Young’s modulus ratio of the hardened layer to the coating influence the crack driving force for a given crack length.     

高强度涂层结合性能的试验研究及有限元分析

采用线切割沿涂层/基体界面切成对称切口,两边粘结后直接拉伸的试验方法对高强涂层抗拉结合强度进行评价.并借助有限单元法对涂层/基体交界面上的应力分布及切口附近的应力集中进行了分析,为正确评价涂层/基体的结合强度提供了理论依据.按此方法对不同工艺参数的热喷涂烧结涂层结合强度进行了评价.结果表明,此方法可对高强涂层与基体的结合强度进行评价.     

ZrO2/NiCoCrAIY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.     

Cracking behaviour of PVD tungsten coatings deposited on steel substrates

Tungsten coatings have been deposited on steel substrates by magnetron sputtering. For the same processing conditions, the increase of the coating thickness enhances the (111) component of the crystallographic texture whereas the residual stress level decreases. Tensile and four-point bending tests, associated with an acoustic emission analysis, have been performed inside a SEM chamber in order to study the cracking mechanisms. When the residual stresses are taken into account, an intrinsic critical cracking stress and the associated energy release rate can be determined; the obtained values suggest an intergranular cracking mechanism. No debonding has been observed at the interface despite the large plastic deformation of the substrate at the crack tips. The observed strain localisation modes in the substrate near the interface have been shown to have a major influence on the limit crack density.     

热障涂层系统的热梯度机械疲劳应力分析

基于IN738高温合金基体上涂覆的热障涂层系统(Thermal barrier coating system,TBCs),分析热循环和热梯度机械疲劳加载条件下涂层的应力分布及演变。通过有限元分析研究了热生长氧化层(Thermally growth oxidation,TGO)的应力分布,以预测不同载荷作用下TBCs的失效行为。结果可知,在热循环的基础上施加应变载荷会造成TGO应力性质及大小的改变。只施加温度载荷,在加热过程中TGO/粘结层(Bond coat,BC)界面波峰位置会承受轴向较大的拉伸应力,裂纹多会在此处萌生,且以层间开裂的方式失效。而在温度与机械载荷的共同作用下,冷却过程中会承受较大的拉伸应力,显著增大的轴向应力与径向应力共同作用,使垂直于TGO/BC界面的裂纹沿着界面方向扩展,从而造成陶瓷层(Top coat,TC)剥落。进一步对比分析了同相和反相加载时的应力分布,结果表明反相加载时一次循环周期内会产生拉伸平均应力,更易发生TBCs的失效。