等离子喷涂双层热障涂层沉积过程的数值模拟

运用ANSYS1O.O有限元分析软件对等离子喷涂典型双层热障涂层沉积过程的温度和应力变化过程进行了数值模拟.结果表明,喷涂过程中,基体背面温度呈台阶状上升,涂层颗粒的温度大幅度周期波动,涂层颗粒的应力随之大幅度周期波动;喷涂结束后,涂层内的残余应力趋于稳定,x方向的最大拉应力存在于陶瓷层与粘结层结合面的边缘;最大y方向拉应力和层间应力都存在于陶瓷层和粘结层的结合面上.涂层的结合面边缘是应力集中部位,结合面的中部应力分布均匀.陶瓷层表面x方向的最大拉应力为423.7MPa.

Abstract：

Nmnerical simulation was performed by finite element analysis (FEA) to investigate the temperature and stress in a typical duplex thermal barrier coating. During the spraying process, the temperature of the back surface of substrate increases step by step, both the temperature and the stress of the coating fluctuate periodically within a wide range. After the deposition, the specimen was cooled to the room temperature slowly. The stresses become constant values, and the maximum radial tensile stress exists at the interface between the ceramic layer and the bonding layer, and the maximum axial and shear stresses exist at the interface, where is the concentrated stress area. The stresses of the middle interfaces are uniform. The maximum tensile stress on the ceramic layer surface is 423.7 MPa.     

高速电弧喷涂过程涂层表面残余应力预测

目的提出一种由连续叠加热失配应力和曲率淬火应力组成的新型涂层表面残余应力预测模型,用于预测高速电弧喷涂成形过程涂层表面残余应力值。方法基于高速电弧喷涂层逐层叠加成形基本假说,利用力和力矩平衡原理,分别建立了涂层逐层叠加热失配应力模型和淬火应力模型,将两模型组合后,得出喷涂过程涂层表面残余应力数值模型。结果通过与X射线衍射仪测得的不同厚度FeAlCrBSiNb涂层表面残余应力值进行比较,发现喷涂一道次时,涂层表面残余应力值为涂层形成过程中最大表面残余应力值。喷涂层厚度为500μm前后,涂层表面残余应力变化规律不同,即理论预测值与实际值随喷涂厚度的增加先减少,当喷涂厚度沉积至500μm后,理论预测值趋于有增有降的波动平稳,而实际测量值在厚度增加至1500μm后逐渐下降。结论高速电弧喷涂过程涂层表面残余应力预测模型,可以较为准确地预测涂层形成过程中表面最大残余应力值和涂层厚度小于500μm时的涂层表面残余应力值,揭示出高速电弧喷涂层实际成形过程表面残余应力的分布规律,即随着喷涂层沉积厚度的增加,残余应力先减少而后沉积至500μm后略微增大。     

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。     

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,...     

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。     

电热爆炸喷涂和等离子喷涂联合法制备热障涂层的研究

采用电热爆炸喷涂和等离子喷涂联合制备热障涂层,以电热爆炸喷涂法在DZ125合金表面制备NiCoCrAlY粘结层,以等离子喷涂技术制备陶瓷顶层。利用扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)仪对所制备的粘结层进行分析,结果表明:电热爆炸喷涂的粘结层与基体结合良好,喷涂态的粘结层的相主要由Ni3Al组成。采用联合法制备的热障涂层,在喷涂态的陶瓷层、粘结层、基体3者结合良好,界面清晰。在高温热循环过程中,粘结层/陶瓷层界面间生成了连续、致密的Al2O3膜,阻碍粘结层的氧化。粘结层/TGO界面产生平行于界面的裂纹,是导致热障涂层失效的主要原因。     

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。     

超音速火焰喷涂MCrAlY粘结层对热障涂层热震性能的影响

分别采用超音速火焰喷涂技术(HVOF)和等离子喷涂技术(APS)在高温合金GH99上制备MCrAIY粘结层(BC),对比研究了HVOF和APS喷涂BC对热障涂层(TBC)热震性能的影响.结果表明:APS喷涂BC界面不平整,起伏较大,而HVOF喷涂BC界面较为平整.经200次热循环后,APS喷涂TBC部分陶瓷层(TC)出现剥落,而HVOF喷涂TBC仅出现细小的微裂纹,生成的热生长氧化物(TGO)比较厚.APS喷涂TBC经过350次热循环后,涂层出现大面积剥离现象.而HVOF热障涂层直到热震430次后,才出现涂层剥落现象.拉曼光谱(RFS)残余应力分析表明,HVOF热障涂层残余应力随热循环次数的增加而增大,热震350次后APS热障涂层残余应力为650MPa,而HVOF热障涂层热震400次后其应力值仅为571 MPa.可知,HVOF显著地提高了TBC的热震性能.     

高速电弧喷涂电流波动对涂层性能的影响

电弧喷涂时的电压和电流是对喷涂层性能有重要影响的两个电参数。由于喷涂过程中电压的波动范围不大 ,而电流的波动范围较大 ,因此喷涂电流的波动对电弧喷涂过程的稳定性及涂层质量的影响更为突出。在保持其它参数 (如雾化气体压力、喷涂距离、喷枪角度等 )不变的前提下 ,研究了高速电弧喷涂时的电流波动率对涂层的孔隙率、显微硬度、耐磨性等方面的影响 ,当电流波动幅度减小时 ,涂层的综合性能将会得到提高。文中从理论上对电流波动影响涂层性能的机理进行了分析 ,认为电流波动造成电弧喷涂雾化粒子尺寸、温度、空间分布等不均是造成涂层综合性能不高的主要原因。     

等离子喷涂涂层中残余应力分析

分析了等离子喷涂涂层中残余应力产生的起因,建立了基于增层模型的残余应力数学模型,并进行了实验验证,为热喷涂材料界面结合强度的研究提供了依据和方法.     

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。     

轴类件热喷涂涂层残余应力的有限元分析

热喷涂涂层内部的残余应力分布是影响喷涂成形质量和使用性能的重要因素之一.文中基于热喷涂过程的逐层叠加成形的基本假设,利用有限单元法建立了轴类金属基体表面沉积铝涂层的温度场和应力场二维数值模型,研究结果揭示了喷涂涂层温度的波动上升和大量粒子独立快速凝固的典型规律,通过分析残余应力分布行为,发现涂层内部的周向和轴向应力分量最大,皆为拉应力;径向应力分量值远小于周向和轴向应力,应力方向不固定.当涂层不断增厚时,每一薄层的应力受后续沉积薄层的作用发生部分抵消,且残余应力分量值都随着涂层厚度的增加而增大.     

飞行状态下热障涂层的受力行为

本文通过在计算机中建立航空发动机叶片的工作环境,进而模拟在飞行状态下叶片表面涂敷的陶瓷热障涂层的受力行为,获得了陶瓷涂层在热气动载荷作用下应力场分布,并得出应力场分布与涂层结构和叶片几何形状及与承受的载荷之间的关系,提出了进一步提高陶瓷热障涂层的使用寿命的途径。     

热喷涂汽车发动机气缸内壁涂层的研究进展

为了达到越来越苛刻的内燃机排放标准,减轻车身重量以降低燃油消耗是近年来车辆行业的重要发展方向之一。采用热喷涂方法在铝合金或铸铁气缸内壁喷涂减摩、耐磨并耐腐蚀的涂层代替传统铸铁缸套具有广阔的应用前景。首先介绍制备气缸内壁涂层的工艺流程,主要阐述现有制备气缸涂层的超音速火焰喷涂、电弧喷涂、大气等离子喷涂和等离子转移弧线材喷涂等工艺的原理,对不同热喷涂工艺特点进行了总结,阐明不同热喷涂方法获得的涂层结构特点。通过列举国内外车辆制造商先进热喷涂涂层的应用实例,进一步分析各类涂层的优缺点。最后提出优化喷涂参数、开发新型喷涂材料、控制涂层内应力和应对未来生物燃料是汽车气缸涂层的下一步研究方向。     

La2Ce2O7/YSZ热障涂层抗热震性能的陶瓷层厚度影响研究

采用实验和数值方法研究了陶瓷层厚度比对La2Ce2O7/YSZ(LC/YSZ)热障涂层热震性能的影响。实验结果表明,随着LC与YSZ厚度比的降低,涂层热震寿命显著提高,涂层失效区域逐渐向试样中心转移,剥离位置逐渐从两陶瓷层界面附近转移到LC内靠近上表面处。数值结果表明,界面边缘处较大的轴向应力与剪切应力易导致较大厚度比涂层边缘处剥落;LC表面中心区域较大的径向拉应力会导致垂直裂纹萌生,并伴随界面偏折,这是较小厚度比涂层自LC内部剥离的原因。     

Corrosion behavior of HVOF coated sheets

High velocity oxygen-fuel (HVOF) thermal spray coating finds application in industry due to its superior resistance to corrosion and thermal loading. In the HVOF process, the metallic powders at elevated temperature are sprayed at supersonic speed onto a substrate material. The powder granules sprayed impact onto each other, forming a mechanical bonding across the coating layer. In most of the cases, the distances among the particles (powder granules sprayed) are not the same, which in turn results in inhomogeneous structure across the coating layer. Moreover, the rate of oxidation of the powder granules during the spraying process varies. Consequently, the electrochemical response of the coating layer surfaces next to the base material and free to atmosphere differs. In the current study, the electrochemical response of a coating sheet formed during HVOF thermal spraying was investigated. NiCrMoNb alloy (similar to Inconel 625) wass used for the powder granules. Thermal spraying was carried out onto a smooth surface of stainless steel workpiece (without grid blasting), and later the coating layer was removed from the surface to obtain the coating sheet for the electrochemical tests. It was found that the corrosion rate of the smooth surface (surface next to the stainless steel surface before its removal) is considerably larger than that corresponding to the rough surface (free surface) of the coating sheet, and no specific patterns were observed for the pit sites.     

等离子喷焊低温马氏体相变合金粉末的组织与性能

为减小喷焊过程中热收缩形成的拉伸应力,采用等离子喷焊的方法,在Q235钢基体上进行堆焊,制备出具有残余压缩应力的低温马氏体相变合金耐磨复合涂层。利用金相显微镜(OM)、SEM、EDS、XRD、X射线残余应力测试仪、显微硬度仪和摩擦磨损试验机等,对喷焊层金属的微观组织、成分和力学性能进行了分析和研究。结果表明:合适的工艺参数下,能够得到与基体呈冶金结合的无缺陷喷焊层组织;喷焊层的组织主要为马氏体和少量残余奥氏体组成;喷焊层获得较为理想的残余压缩应力,最大残余压缩应力可达到-351.2 MPa,平均残余奥氏体的质量分数约为10.18%;和基体材料相比较,等离子喷焊层的硬度提高2.5倍,耐磨性提高47.22倍。