变形温度对核电用锆包壳管表面Cr涂层开裂行为的影响

Cr涂层能够有效提高核电反应堆锆包壳管的事故容错能力，但在高温下其内部可能会萌生裂纹导致涂层开裂失效，现有Cr涂层开裂行为研究多针对常温，因此研究不同温度下Cr涂层的开裂行为对于其应用具有重要的理论和工程价值。采用多弧离子镀技术在N36锆合金包壳管外表面制备厚度为14μm左右的Cr涂层，采用WDW-100C万能试验机对涂层管分别进行室温（25℃）与高温（100、200、300、400℃）拉伸试验，并通过超景深显微镜和扫描电镜（SEM）观察涂层的裂纹表面与截面形貌，对Cr涂层在不同温度下的开裂行为与开裂机理进行研究。结果表明，随着温度升高，涂层管的屈服强度从（400±5）MPa下降到（150±5）MPa，涂层管的总体塑性变化不大；室温下裂纹萌生于涂层内部，其开裂方式为脆性沿晶断裂；100℃时涂层开裂方式不变，但表面裂纹数量减少，裂纹尖端出现钝化，由V字形转变为U字形；随着温度进一步升高，涂层的塑性变形能力提高，其表面呈流线形塑性变形；200℃及以上温度下，涂层表面无明显开裂，仅出现少量微裂纹，塑性的升高导致拉伸过程中涂层的变形量与基体存在差异，裂纹开始萌生于界面处，其断裂方式也由脆性断裂...     

激光冲击强化前处理对TiN/Ti涂层/基体疲劳性能的影响

采用磁过滤阴极真空弧技术在TC4钛合金表面沉积抗冲蚀多层梯度TiN/Ti涂层,沉积前对基体进行激光冲击强化前处理。采用原子力显微镜、纳米压痕和划痕仪表征了试件的表面形貌、基本力学性能等,对试件的疲劳性能进行了考核,并分析了疲劳断口形貌。结果表明,LSP前处理在TC4表面形成了厚度约为300μm,具有高硬度和残余压应力的硬化层。TC4合金基体的平均疲劳强度为373.8 MPa,制备TiN/Ti涂层后试件的疲劳强度为363.7 MPa,较基体略有降低。增加LSP前处理后试件的疲劳强度为411.9 MPa,较TiN/Ti涂层试件提高13.3%,较无涂层试件提高10.2%。TiN/Ti涂层可以抑制表面上的裂纹萌生并减缓其扩展速率,但在拉伸过程中发生破碎而与基体发生剥离,裂纹抑制效果有限,且涂层的破裂促进了裂纹扩展。采用LSP前处理后,TC4表面形成的硬化层增加裂纹萌生难度,且提高的结合强度可降低裂纹扩展速率。     

喷涂涂层对钛合金超塑性能的影响

通过采用在钛合金TC4(Ti-6Al-4V)表面喷涂锆英石粉料来获得保护层的办法，研究了锆英石陶瓷涂层对钛合金TC4在高温拉伸试验时超塑性成形的影响。结果表明，锆英石涂层减轻了钛合金表面的高温氧化程度，提高了钛合金TC4的超塑性性能。     

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。     

等离子喷涂FeCrBSi涂层接触应力有限元分析

针对传统宏观力学研究涂层的局限性,开展了基于Hertz理论的等离子喷涂Fe Cr BSi涂层有限元数值模拟研究,得到了涂层表面在不同载荷和摩擦力作用下,涂层主应力与剪切应力的分布特征。分析结果表明:主应力是接触疲劳失效的临界应力,而剪切应力则导致涂层在微缺陷处在较短的时间内诱发萌生微裂纹,不同主应力与剪切应力的协同作用使得涂层失效模式呈现多元化,应力是涂层失效的主要驱动力。摩擦系数的增加导致剪切应力急剧增加,剪切应力造成涂层表面的塑性流动。当塑性流动超过材料的变形极限时,造成表面材料开裂,在循环作用下最终形成裂纹。同时摩擦系数的增加加大了涂层与对摩轴承直接接触相互损伤的可能性。     

电脉冲处理对TC11钛合金力学性能及组织的影响

通过光学显微镜、扫描电镜(SEM)、拉伸试验机、高频疲劳试验机、电阻率测试仪以及红外热像仪研究了电脉冲处理后TC11钛合金显微组织及力学性能的变化。结果表明,由于电脉冲瞬间引入的热能导致TC11钛合金显微组织发生局部再结晶,产生细小的再结晶晶粒。TC11钛合金在经电脉冲处理后疲劳裂纹源向内移动181μm,电阻率下降了0.366 mΩ·mm,电脉冲引起的材料内部局部温差场作用于微观缺陷,使缺陷与基体间产生压应力,促使微裂纹愈合,杂质与基体间啮合程度更高,减少TC11钛合金在受力作用时内部微裂纹的萌发概率,并且使材料内部应力集中部位发生应力松弛,显微组织转向更加均匀稳定的状态,力学性能也随之得到改善。电脉冲处理后,TC11钛合金的塑性和疲劳性能都得到提高,并且抗拉强度保持不变。     

Q235B 钢含硫污水罐的腐蚀开裂失效分析

目的对某炼油厂原料水罐Q235B钢腐蚀开裂失效原因进行分析。方法采用宏观形貌、金相组织和断口观察以及成分分析和力学性能测定等手段,分析Q235B钢腐蚀开裂失效的宏观和微观行为。结果 Q235B钢在污水罐罐顶形成的湿硫化氢环境中发生沿晶型应力腐蚀开裂。腐蚀过程中,电化学反应产生的氢渗入基体,导致微裂纹的萌生。腐蚀产物在基体表面积聚,其自身体积膨胀以及涂层的闭塞作用对基体形成非常大的拉应力。结论结合应力分析和环境分析,Q235B钢含硫污水罐的腐蚀开裂失效机制为硫化氢应力腐蚀开裂,应力来源于氢渗透和腐蚀产物膨胀。     

真空热处理对NiCrAlY涂层／钛合金基体体系的影响

采用电弧离子镀(AIP)技术在耐热钛合金(近TC6)基体表面沉积制备NiCrAIY涂层.通过OM、SEM与EDS、XRD分析研究不同真空热处理制度对NiCrAlY涂层/钛合金基体体系的影响.结果表明:经650℃真空热处理后,NiCrAlY涂层中开始有γ'-Ni3Al相析出,750℃时含量增加,870℃时含量明显减少;从650℃开始,NiCrAlY涂层/钛合金基体开始发生界面反应,随着温度的升高,界面分层并加厚同时出现裂纹,在870℃下,NiCrAlY涂层,钛合金基体界面由外至内出现Ni3(Al,Ti)、TiNi和Ti2Ni中间化合物层;在750℃下,主要发生了Ni、Ti元素的扩散,Cr元素在870℃开始发生扩散.当温度升高到950℃时,由于Ni、Ti元素大量互扩散导致宏观疏空带出现,同时在基体和界面反应层交界处出现裂纹,这些都将引起涂层的退化失效.     

微弧离子沉积阻燃涂层对TC11钛合金力学性能的影响

为使阻燃涂层早日在我国航空发动机上得到应用,在提高涂层阻燃性能的同时,研究涂层对基体力学性能的影响十分必要。文中采用微弧离子表面改性技术在TC11钛合金基体上制备阻燃涂层,研究阻燃涂层对钛合金拉伸性能、压缩性能、蠕变性能及裂纹扩展速率的影响。结果表明,采用微弧离子表面改性技术在TC11基体上制备的阻燃涂层主要由TiC2、W2C及Ti组成,涂层结构致密,与基体结合良好。涂层试样规定非比例延伸强度、抗拉强度以及断面收缩率有轻微降低,降低幅值约为基体抗拉强度5%左右;断后延长率基本无变化,弹性模量随测试温度提高逐步下降,试样抗压强度增大,400℃高温蠕变性能变好,常温裂纹扩展速率降低。综合分析表明,在钛合金基体上制备阻燃涂层后,试样整体力学性能变化幅值小于5%,符合航空发动机部件强度设计要求。     

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 用TC4和TC8钛合金制造的加工刀具,在使用过程中发生失效。利用金相分析、力学性能测试和无损检测等手段对刀具失效的原因进行了分析。结果表明：刀具失效是由刀具开裂引起的。工作过程中刀具表面产生疲劳裂纹,疲劳裂纹在表面不连续缺陷处萌生并扩展。而失效零件粗糙的表面是裂纹产生的主要原因。     

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。     

航空发动机叶片 TiN / Ti 涂层基体冲蚀响应数值模拟

目的研究Ti N/Ti涂层结构变化对TC4钛合金基体冲击塑性应变的影响。方法采用有限元分析软件ABAQUS建立球形Al2O3颗粒冲击覆有Ti N/Ti涂层TC4基体的二维轴对称模型,分析涂层硬质层厚度、硬质层层数对基体在冲击过程中的等效塑性应变的影响规律。结果对于无涂层的基体,其冲击塑性应变仅发生在冲击的加载阶段,冲击塑性应变分为加载及卸载两个阶段,加载阶段基体的塑性应变由球形颗粒的冲击产生,卸载阶段基体的塑性应变由涂层硬质层的回弹产生。对于单层结构涂层,当硬质层厚度低于12μm时,随着硬质层厚度的增加,基体的塑性应变较大且呈振荡变化;当硬质层厚度超过12μm时,随着硬质层厚度的增加,基体的塑性应变减小。对于多层结构涂层,当硬质层的厚度不变,增加涂层硬质层层数使得基体的塑性应变减小。结论有限元可以模拟分析Ti N/Ti涂层结构对TC4钛合金冲蚀性能影响规律,优化Ti N/Ti抗冲蚀涂层的结构设计参数,对抗冲蚀涂层的结构设计及其进一步研究具有指导意义。     

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。     

MoB-CoCr涂层耐锌液腐蚀性能研究

研究了超音速火焰喷涂制备的MoB-CoCr涂层在熔融锌液中的腐蚀情况,并分析锌液对MoB-CoCr涂层的腐蚀机理。结果表明,涂层中的缺陷孔隙成为裂纹源,而MoB-CoCr涂层的残余应力、淬火应力以及涂层与不锈钢热膨胀系数不匹配所产生的应力使涂层开裂,甚至涂层与基体发生剥离,锌渗入到涂层缺陷中使裂纹扩展,形成沿着裂纹的腐蚀,加速了涂层的失效。     

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。     

激光熔覆微纳米WC颗粒增强镍基金属陶瓷涂层的裂纹研究

采用激光熔覆技术在45钢表面制备了微纳米WC颗粒增强镍基金属陶瓷涂层,研究了不同含量WC颗粒涂层的开裂行为。结果表明:当涂层中加入的WC含量分数不超过20%时,涂层具有较好的韧性,采用合适的激光熔覆工艺可以制备出无裂纹的Ni基金属陶瓷涂层。当涂层中WC质量超过30%时,涂层脆性增加,且其开裂敏感性随WC含量的增加而增加。涂层内的裂纹主要有萌生于涂层表层的粗大裂纹及萌生于气孔的内部微裂纹等。涂层中的微裂纹扩展机制主要为颗粒与基体间的界面脱粘以及基体金属的韧性开裂。涂层中未出现微米级颗粒增强金属陶瓷常见的颗粒开裂现象。     

TC4钛合金微弧氧化膜层动态热力学性能研究

在锆盐电解液体系中制备出厚度为20μm的微弧氧化膜层,通过动态热机械分析仪研究了TC4钛合金表面的微弧氧化膜层与基体结构的热-机耦合载荷失效行为。结果表明:温度对TC4钛合金微弧氧化膜层服役失效有重要影响。当升温到300℃时,膜层与基体开始出现热膨胀系数不稳定而产生热错配残余应力;当温度到达500℃时,膜层内部出现明显的裂纹,且膜层也在一定程度上与基体发生剥落行为。     

TA15钛合金管材开裂失效分析

对开裂的TA15钛合金管材进行宏观检查,观察裂纹打开断口的宏微观形貌;对金相组织进行了研究,确定了该钛合金管材的失效模式,并对其开裂原因进行了分析。结果表明:TA15钛合金管材表面裂纹的产生,是由内表面局部短时超温形成的花斑和表面存在的残余拉应力的共同作用导致的。由于花斑的形成主要与热加工工艺过程中内表面的摩擦生热有关,所以在零件设计时应考虑钛合金零件设计的通用原则。     

激光辅助氮化工艺中的开裂行为研究

目的研究激光辅助氮化过程中,氮化层的开裂行为。方法利用CO2激光辅助氮化的方法在钛合金表面制备氮化钛涂层,观察氮化层的宏观、微观形貌,分析组织结构特征,测定氮化层残余应力,研究基体厚度、激光扫描工艺参数对氮化层表面形貌和裂纹情况的影响。结果钛合金经单道或多道激光氮化后,表面形成非均匀氮化钛层,其显微结构为沿主干轴交叉生长的枝状晶组织,存在数量和尺寸不等的显微裂纹。较薄试样经单道激光氮化后,表面呈现较低的残余压应力状态,较厚试样则以拉应力为主;试样经多道激光氮化后,整个氮化区表面均呈现残余压应力状态。结论枝状氮化层与基体组织高度结合,不易脱落,但受基体约束作用,氮化层内的拉伸热应力导致其冷却过程中形成微裂纹。随着试样厚度和氮化面积的增加,较高的热应力使得裂纹密度和裂纹尺寸增加,严重影响氮化层的质量。残余应力是热应力和相变应力叠加的结果,对于多道激光氮化工艺而言,大面积氮化使得相变压应力增加,同时后热效应使得热应力降低,最终呈现出残余压应力状态。     

基于溶胶-凝胶法的YAlO_3/Ti_2AlC复合涂层在干燥与热分解过程中的开裂行为研究

采用高温金相显微镜(HTOM)等原位观察和分析手段研究了溶胶-凝胶法制备YAlO_3/Ti_2AlC复合陶瓷涂层过程中干燥与热分解阶段的开裂行为。研究发现,涂层中的开裂现象发生于凝胶体系热分解阶段,是凝胶分子链的断裂导致体系所能承受的最大应力不足以抵抗涂层内逐渐积聚的应力,从而发生了涂层的开裂以及后续升温过程中裂纹的扩展现象。涂层的开裂最初往往发生在较厚的位置,因为在这些位置涂层内的应力集中更为严重。较快速升温可以使涂层表面的应力分布被局限在较小范围内,从而实现减小裂纹尺寸达到改善涂层表面质量的目的,升温速率为5℃/min时YAlO_3/Ti_2AlC复合陶瓷涂层的表面质量最佳。