W/ODS铁素体钢功能梯度材料热应力分析

目的 研究W/ODS铁素体钢功能梯度材料（W/ODS FGM）服役条件下的热应力,期望获得较合理的W/ODS FGM材料设计,以达到热应力优化的效果。方法 采用有限元分析方法,结合偏滤器的服役条件,通过改变W/ODS FGM材料梯度层成分分布指数p、梯度层厚度HFGM以及金属W涂层厚度HW,探索各参量的变化对热应力大小及分布的影响。结果 梯度层成分分布指数p值增大,梯度层的应力值会随之增大,而W层的热应力先减小后增大。当p=0.5时,最大热应力出现在梯度层的中段;当p=1、2时,最大应力由FGM层中段转移至FGM/W层的交界处。梯度层厚度HFGM增大,涂层的热应力会大幅提高。梯度层厚度较厚或较薄都会导致热应力在FGM/W交界处集中。W涂层厚度HW增大,会导致W/FGM界面的热应力增大,增添了涂层自身的不稳定性。结论 梯度层成分分布指数和厚度的增大均会引起涂层热应力的增大,并导致最大热应力区的转移。W涂层的增厚会使结构的热应力增大,且最大应力值位于W/FGM界面,不利于涂层寿命的提高。HW=HODS=1 mm、HFGM=8 mm、p=0.5和HW=HODS=1 mm、HFGM=4 mm、p=1的最大热应力区位于梯度层中段,且后者的最大应力值小于前者,故HW=HODS=1 mm、HFGM=4 mm、p=1的结构较优。     

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。     

W/Cu梯度功能材料板稳态热应力分析

采用解析法研究了W/Cu梯度功能材料板的残余热应力和在稳态梯度温度场下的工作热应力的大小和分布状况。结果表明:随着成分分布指数的增加,残余热应力与工作热应力的最大值先减小后增大,当成分分布指数(P)取1时,达到最小值;随着梯度层数的增加,热工作热应力的最大值逐渐减小,但当梯度层数达到6时,随着梯度层数的增加,缓和效果并不明显;当梯度层厚度增加到5 mm时,工作热应力的最大值约为非梯度材料工作热应力最大值的50%。     

基于有限元方法的硬质合金/Ti/TiC/Ta-c多梯度复合涂层的残余热应力分析

基于有限元方法,通过Ansysworkbench软件分析了硬质合金梯度涂层的热应力缓和机制。比较了单层Ta-c涂层、Ti/Ta-c复合涂层及Ti/Ti C/Ta-c多梯度复合涂层对热应力场的影响。分析了Ti/Ti C/Ta-c多梯度复合涂层中Ti、Ti C、Ta-C层厚度和涂层沉积温度等因素对热应力的影响。结果表明:3种涂层中,等效应力最大值皆出现在最表层的Ta-c层中,且Ti/Ta-c复合涂层所受等效应力最大,为354.74 MPa;单层的Ta-c涂层等效应力值最小,为132.89MPa;在Ti和Ta-c之间增加Ti C过渡层时,等效应力减小为251.76 MPa。Ti C、Ta-C层厚度对热应力的影响较大;涂层热应力随着涂层沉积温度的升高逐渐呈线性关系递增,且随温度的增加,Ta-c层中的sp~3键会向sp~2键转化,转化过程中碳sp~3键释放应力,会使涂层残余应力有所减小。     

Sm2Ce2O7/YSZ功能梯度热障涂层的残余热应力

目的研究基体材质、厚度及半径对Sm_2Ce_2O_7/YSZ功能梯度热障涂层残余热应力的影响。方法采用ANSYS10.0软件中Plane13单元,通过直接耦合计算,系统分析了不同基体条件下,Sm_2Ce_2O_7/YSZ功能梯度热障涂层的残余热应力。结果在Sm_2Ce_2O_7/YSZ功能梯度热障涂层中存在较大的残余热应力。涂层残余热应力随时间的增加而逐渐降低,900 s后基本维持稳定。涂层径向热应力从中心处到试样边缘逐渐递减。2Cr13对应的涂层应力最小。金属基体厚度在2~10 mm范围内,径向热应力虽然增加,但变化幅度不大。当基体厚度为20 mm时,涂层径向热应力则显著增加。金属基体半径对涂层的最大剪切应力并不产生影响,轴向热应力随基体半径的增加而逐渐降低,径向热应力随半径增加到一定值后趋于稳定。结论 2Cr13钢基体对应的涂层具有最小热应力,基体厚度为10 mm时比较合适,基体半径对涂层轴向热应力的影响最明显。     

多层结构浸入式水口复合层的设计

为降低热应力造成多层结构浸入式水口开裂的可能性,采用有限单元法研究了内面层厚度和材料物理性能参数对其热应力的影响,以及内面层厚度和导热系数对其内壁温度的影响.结果表明,当内面层厚度由0mm增至10mm时,浸入式水口所受最大拉应力先升后降;当其厚度在2～4 mm之间时,拉应力较小.随着内面层弹性模量、热膨胀系数和导热系数的降低,最大拉应力减小.增加外面层厚度,减小其导热系数,预热后浸入式水口内壁温度的降低幅度减小.     

梯度纤维多孔材料的吸声特性及结构优化

利用金属纤维为原料,制成内部具有梯度孔结构的金属纤维多孔吸声材料。梯度孔结构可分为孔隙度梯度和丝径梯度,分别研究了这2种梯度结构的吸声特性。结果表明,厚度在6~30 mm范围内时,孔隙度梯度结构按照孔隙度从大到小的顺序排列有利于提高全频的吸声性能;厚度为3 mm时,孔隙度梯度结构的排列顺序对吸声性能的影响规律恰好相反;丝径梯度结构的吸声特点是当厚度为3 mm时,细丝径纤维多孔材料在前,全频吸声性能较好;当厚度≥15mm时,粗丝径纤维多孔材料在前,全频吸声性能好;厚度在3~15 mm之间,2种排列方式的丝径梯度结构的吸声-频率曲线存在一个交点,随着厚度的增加,该交点逐渐向低频方向移动。     

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。     

PSZ/Mo功能梯度材料的有限元设计

利用有限元分析的方法,依据拉应力和比应力最小原则对PSZ/Mo功能梯度材料进行了优化设计,确定了FGM的最佳形状分布因子、层数和每一层的厚度.并对最优成分分布FGM在稳态隔热状态下所产生的温度场和热应力进行了计算,得出进行PSZ/Mo功能梯度材料优化设计所需考虑的主要因素.     

MoSi2/不锈钢连接梯度过渡层的残余应力

采用放电等离子烧结（SPS）技术,利用MoSi2/316L梯度材料作为过渡层连接MoSi2与316L不锈钢,并运用有限元软件ANSYS对MoSi2与316L不锈钢接头制备过程中所产生的残余应力进行分析。结果表明：随成分分布指数P增加,最大径向和轴向残余拉应力先减后增,当P=0.8时,两者同时接近最小,且MoSi2侧的最大径向拉应力较小;随梯度层数n增加,最大径向和轴向残余拉应力逐渐减小,当n=9时,最大径向和轴向残余拉应力分别降为n=0时的24%和25%,且梯度层继续增多时,变化趋势变得平缓;随梯度层厚度d增加,最大径向和轴向残余拉应力逐渐减小,当d=1.0 mm时,变化趋势平缓;利用P=0.8、d=1.0 mm、n=9的MoSi2/316L梯度材料作为过渡层体系获得致密且均匀的连接接头。     

偏滤器第一壁W/Cu FGM的热应力模拟与优化设计

采用有限元ANSYS软件对偏滤器第一壁W/Cu FGM进行热应力模拟分析,并对其参数进行优化设计。结果表明,优化后的梯度层应力较无梯度层时得到了极大的缓和,最大等效应力值降低58%。最优化的梯度层层数为5,Cu浓度分布指数为0.4;同时在10 MW/m2的表面热流冲击下,表现出较好的抗热冲击能力     

面向等离子体材料钨厚涂层的制备及表征

等离子体喷涂技术在面向等离子体材料钨涂层的制备中占据主导地位,本实验采用CuMo/MoW作为涂层的中间过渡层,分别以结晶钨粉和羰基钨粉为原料,用大气等离子体喷涂技术在CuCrZr合金基体(110 mm×130mm)上制备了3-4 mm厚的3种钨涂层.对钨涂层微观组织、力学性能和热学性能研究表明,羰基钨粉制备的钨涂层的综合性能优于结晶钨粉,且薄涂层的结合强度优于厚涂层.优化喷涂工艺后,金相法测得钨涂层孔隙率＜2％,涂层的结合强度最大值为10 MPa,EDS测得氧含量为6％左右,纯钨层热导率最大值为12.52 W/(m.K),涂层氧含量过高导致涂层热导率显著降低.研究表明采用大气等离子体喷涂技术在铜合金上制备3～4mm厚的钨涂层是可行的,该技术可为下一步低成本、高性能厚钨涂层的制备奠定基础.     

Optimization of Plasma-Sprayed Tungsten Coating on Copper with the Heterogeneous Compliant Layer for Fusion Application

Structure of 1-mm tungsten (W) coating on copper (Cu) with the different compliant layers was designed and optimized by means of ANSYS code. Three materials of titanium, nickel-chromium-aluminum alloys, and W/Cu mixtures with a thickness of 0.5 mm were selected as the compliant layers to evaluate their effects on the interface stress between W and Cu, strain, and the surface temperature under the heat load of 5 MW/m². Application of the compliant layers can obviously alleviate the interface stress concentration compared to the sharp interface. The maximum stress reduction of about 25% was obtained from the W/Cu-compliant layer; however, the surface temperature was increased only by 12 °C. Further investigation on the W/Cu-compliant layer revealed that 0.1-0.2-mm 20-35 vol.% W was the optimum structure for 1-mm W coating, which resulted in the smallest peak stress of 299 MPa and the equivalent plastic strain of 0.01%.     

熔渗-焊接法制备W/Cu功能梯度材料的研究

采用熔渗－焊接法经过工Ｗ骨架制备,渗Ｃｕ及热压焊接三个步骤制备出Ｗ／Ｃｕ功能梯度材料,并对Ｗ／Ｃｕ梯度过渡层的显微结构进行了观察,对Ｗ／Ｃｕ功能梯度材料的热震性进行了测试。     

Spark Plasma Sintering of Ultrafine YSZ Reinforced Cu Matrix Functionally Graded Composite

Copper matrix composites have received more attentions as possible candidate for thermal and electrical conductive materials to be used in electrical contact applications. In this study, five-layered Cu/YSZ(yttria-stabilized zirconia) functionally graded material(FGM) and copper matrix composite specimens containing 3 and 5 vol% YSZ particles plus pure Cu specimen were synthesized using powder metallurgy(PM) route and spark plasma sintering(SPS)consolidation process. The microstructural and some physical, mechanical features of all specimens were characterized.Microscopic examinations showed that ultrafine YSZ particles were distributed in the copper matrix almost homogeneously. An appropriate interface was observed at each layer of FGM. The density measurement indicated that the graded structure of the composite could be well densified after the SPS process. The microhardness values of various layers of Cu/YSZ FGM specimen were gradually altered from 56.3(pure copper side) to 75.2 HV(Cu-5 vol% YSZ side). The increase of YSZ content resulted in a decrease in electrical conductivity. Additionally, thermal conductivity of Cu/YSZ FGM specimen [308.0 W/(m K)] was determined to be higher than that of the Cu-5 vol% YSZ composite specimen [260.7 W/(m K)]. Accordingly, it can be concluded that the Cu/YSZ FGM can be a good candidate for the electrical applications, like sliding electrical contacts, where different material characteristics in the same component are required.     

超高压梯度烧结法制备W／Cu功能梯度材料

提出了一种制备具有递变电阻及高熔点差功能梯度材料的新方法－超高压梯度烧结法,并成功制备出了相对密度达到96％的W／Cu梯度功能材料。推导了通电烧结过程中梯度材料内部的温度分布,表明温度场与电流密度及材料的厚度大致成平方的梯度分布模式;考察了不同的烧结助剂对W／Cu梯度材料致密化的影响,发现Ni比V和Zr有更好的致密化效果;观察了W／Cu梯度材料显微结构并对梯度烧结的过程机理进行了初步探讨。     

Effect of the welding thermal cycles on the structural changes in the heat affected zone and on its properties in joints welded in low‐alloy steels

Summary

Pure tungsten (W) was friction welded to oxygen free copper (Cu) with an intermediate layer to improve the weldability of W to Cu. W and Cu rods were 25 mm in diameter. The intermediate layer consisted of Nb foils of 7, 10, 15 and 25 μm thickness. A strartfied mixed layer which was composed of finer Nb particles was formed in Cu at the weld. The thickness of the mixed layer became smaller with a decrease in Nb thickness by being expelled through the flash of the Cu side. A microstructure without a mixed layer was observed at the weld for a joint with 7 μm thick Nb. The joint with 7 μm thick Nb fractured in the Cu base metal in a tensile test, while all joints except that with 7 μm thick Nb fractured at the weld or on the W side next to the weld. Bond strength of joints with 7 μm thick Nb could be improved markedly, compared with that of joints without an intermediate layer. Oxygen was detected at the weld by line analysis with EPMA regardless of Nb thickness. However, because the joint with 7 μm thick Nb fractured in the Cu base metal in a tensile test, it suggests that the effect of oxidation at the weld on the bond strength of joints was very small.     

Thermal Performance and Microstructure of Vacuum Plasma Sprayed Tungsten Coatings under Cyclic Heat Load

采用真空等离子喷涂技术在铜基体表面制备了钨涂层,分别通过NiCrAl和W75Cu25涂层作为中间层。5 MW/m2, 2 s的高热负荷电子束实验表明NiCrAl中间层提高了涂层的热导率并降低了热应力和残余应力值。W75Cu25涂层作为中间层则表现出较差的热疲劳性能。高热负荷电子束真空等离子喷涂钨涂层表现出侵蚀和微裂纹。因热应力导致涂层发生塑性变形,在高温情况下裂纹起源于熔融的钨颗粒,但是,裂纹被钨涂层塑性变形和孔洞所抑制     

钨涂层面对等离子体材料损伤演变行为研究

利用等离子体喷涂技术制备了钨涂层面对等离子体材料,并对涂层基本性能进行了表征,主要包括气孔率,相对密度,结合强度,热导率,硬度分布,进而研究主动水冷钨涂层在热负荷服役条件下损伤演变行为。研究发现,直接水冷钨涂层内部层与层之间的开裂、分层是涂层失效的原因,损伤演变过程为柱状晶体再结晶并长大、层间微裂纹出现、裂纹扩展和气孔出现、最后材料分层、失效。间接水冷钨材料的热负荷性能受到很大限制,且疲劳性能降低,失效形式是涂层开裂或脱落,甚至铜基体整体熔化。