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。     

车用316L不锈钢表面脉冲磁控溅射CrAlN涂层组织和摩擦性能分析

采用高功率脉冲与脉冲直流磁控溅射相结合的方法,在车用316L不锈钢表面制备得到CrAlN涂层,分析了各基体偏压状态下CrAlN涂层的化学成分及其组织和性能的变化。结果表明:当基体偏压提高后,涂层的(111)晶面衍射峰发生了小角度偏移的变化。随着偏压由0V逐渐增大至-25V时,得到的CrAlN涂层硬度和弹性模量分别升到最大值23.2GPa和228GPa。当基体偏压上升后,涂层厚度发生了先增大再降低的变化现象,最小涂层厚度约1.41μm。并且当偏压增大后CrAlN涂层也达到了更大的内应力,最大值出现于-100V,等于2.52GPa。当基体偏压提高后,得到的CrAlN涂层摩擦系数不断降低,从0.49减小为0.31,在0V下达到了最大的磨损率。可以发现,当基体偏压升高后,涂层的磨损作用降低,并且磨痕宽度也变小。     

高压管汇三通冲蚀磨损特性研究

目的 研究在页岩气开采过程中,含砂压裂液对高压管汇三通冲蚀磨损的影响规律及主要影响因素.方法 基于两相流颗粒冲蚀理论建立三通冲蚀数值计算模型,预测三通在使用过程中易发生冲蚀磨损的部位,研究三通方位夹角,压裂液入口流量、固相颗粒体积分数、颗粒直径和压裂液密度对三通冲蚀速率的影响.结果 Y型三通和歧型三通冲蚀最严重的部位均在支管与主管的相贯线上.在控制单因素变量的前提下,随着方位夹角从30°增加到150°时,Y型三通的最大冲蚀速率增大了12.7倍.而随着方位夹角从30°增加到90°时,歧型三通的最大冲蚀速率增大了1.85倍,并且最大值出现在60°附近.随着压裂液入口流量从0.5 m3/min增加到2.5 m3/min,Y型三通的最大冲蚀速率增大了232.5倍;随着压裂液入口流量从1 m3/min增加到4 m3/min,歧型三通的最大冲蚀速率增大了7.5倍.同时随着固相颗粒体积分数从2％增加到10％,粒径从200μm增加到600μm,密度从1000 kg/m3增加到1400 kg/m3,Y型三通的最大冲蚀速率分别增大了4.4倍、0.63倍、1.3倍,而歧型三通的最大冲蚀速率分别提高了4.4倍、0.58倍、1.06倍.结论 两种三通的最大冲蚀速率均随着入口流量、固相颗粒体积分数的增加而变大,随粒径的增加而减小.Y型三通的最大冲蚀速率随空间夹角、压裂液密度的增加而变大,但歧型三通的空间夹角为60°时冲蚀最严重,且压裂液密度对其影响较小.     

WC颗粒增强Ni基涂层的残余应力及耐磨性能

用扫描电子显微镜(SEM)观察了等离子喷涂WC颗粒增强Ni涂层的显微结构,用X射线衍射法(XRD)测试了不同WC含量下涂层及粘结层表面残余应力,利用摩擦磨损试验机和共聚焦激光扫描显微镜研究了涂层的磨损机制。结果表明:涂层表面残余应力为压应力,且随着WC含量的增加先增大后减小,随着涂层厚度的增加而增大,厚度为1000μm时出现分层失效,热应力对粘结层残余应力的贡献最大。一定幅值的压应力有利于涂层耐磨性的提高,同载荷下磨损量仅为基体的0.135倍,涂层磨损机制主要为磨粒磨损。     

表面织构参数对液压马达滑靴副的摩擦学性能影响研究

目的通过表面织构改善液压马达连杆滑靴副的摩擦学性能。方法首先,基于Reynolds方程研究表面织构参数(直径d、面密度s_p、深度hp)对滑靴副的无量纲压力(P_(av))的影响规律。其次,设计正交试验研究表面织构参数对摩擦系数的影响,分析表面织构的润滑机理。结果 P_(av)随着d的增加而增大;随着s_p的增大,先增加后缓慢减小,当s_p=10%时,Pav达到最大值。此外,随着_hp的增大,P_(av)先增加后快速减小,在h_p=2μm时达到最大值。摩擦实验结果表明,合适的织构参数能有效降低摩擦系数,7#织构表面(d=700μm,s_p=10%,h_p=5μm)的摩擦系数最小为0.034,比无织构表面的降低66%。正交极差分析表明,各因素对摩擦系数影响的主次顺序为:直径面密度深度。摩擦系数随着直径的增大而减小,随着面密度的增大而增大,随着深度的增大而减小。结论经过优选的表面织构参数有利于形成动压润滑,从而降低摩擦系数和磨损。     

表面微织构涂层-基体系统重载弹流润滑性能分析

目的研究表面涂层与织构化协同作用时摩擦副的重载弹流润滑性能,为重载传动的摩擦学设计提供参考。方法基于广义Reynolds方程、线弹性方程以及载荷平衡方程,建立表面微织构涂层-基体系统的弹流润滑模型,并无量纲化,然后运用Full-system有限元法编程求解,探讨涂层的弹性模量以及三角形织构深度、宽度、密度对系统弹流响应的影响。结果载荷一定时,薄膜涂层(2μm)的弹性模量变化(50～500 GPa)对油膜压力整体分布影响较小,但二次压力峰在硬质涂层上更为显著。在涂层与基体存在弹性模量差时,其上由微织构引起的集中应力是无涂层的2～3倍。最小油膜厚度随着涂层弹性模量的增大而增大。随着织构深度的增大(0～5μm),油膜压力和厚度波动更加明显,最小油膜厚度随之减小,系统最大等效应力也显著增大。当织构宽度增大(10～20μm)时,油膜压力和厚度波动减弱,最小油膜厚度先减小后增大。如果织构密度增大(0.5～2),油膜压力波动更为剧烈,油膜厚度波动变化不大,但其波动周期变化明显,最小油膜厚度先减小后增大。膜基界面最大剪应力出现在二次压力峰附近,织构化表面油膜压力波动越大,膜基界面剪应力波动也越大。结论存在一个最优的织构深度、宽度和密度,使得镀膜齿轮的承载能力最佳。合理的涂层选配和微织构设计,可以有效地提高齿轮的摩擦学性能,提前预防膜基系统失效。     

基于正态分布的GCr15轴承钢强化研磨残余应力场数值模拟

目的 探索强化研磨不同工艺参数下定点喷射对GCr15轴承钢残余应力场的影响规律。方法 采用图像处理技术分析了不同工艺参数下强化研磨定点喷射表面覆盖率的分布特征。采用二维正态分布函数描述强化研磨定点喷射下钢珠的分布特征,运用Python/Opencv确定了在不同工艺参数下有限元模型所需的钢珠数量,基于Abaqus/Python构建出强化研磨正态分布有限元模型。运用所建立的正态分布模型分析不同喷射速度、钢珠直径及覆盖率对残余应力场的影响。结果 当喷射速度从45 m/s增加到70 m/s时,表面残余压应力从-683.5 MPa增加到-902.4 MPa,最大残余压应力从-981.6 MPa增加到-1330.6 MPa,残余压力层厚度从89μm增加到151μm,最大残余压应力深度从30μm移动到70μm。当钢珠直径从0.4 mm增加到1.0 mm时,表面残余压应力先增大后减小,最大残余压应力从-1063.5MPa增加到-1240.7MPa,最大残余压应力深度从30μm增加到60μm,残余压应力层厚度从103μm增加到147μm,其中钢珠直径从0.8 mm增加到1.0mm,最大残余压应力保持不变...     

温度和厚度对纳米金刚石涂层残余应力的影响

目的通过改善液相等离子喷涂制备纳米金刚石涂层的工艺参数,提高纳米金刚石涂层的显微硬度与结合强度。方法利用Ansys有限元软件对纳米金刚石涂层中的残余应力进行数值模拟。建立纳米金刚石涂层的有限元分析模型与热传导方程,探讨了涂层的厚度与降温速度对纳米金刚石涂层残余应力的影响。通过扫描电子显微镜对制备的纳米金刚石涂层表面进行分析,并且利用显微硬度计和表面划痕仪测定纳米金刚石涂层的显微硬度和结合强度。结果纳米金刚石涂层的主应力为拉应力,涂层的最大主应力随着厚度的增大而具有先增大、后减小、再增加的特点。随着涂层厚度的增加,涂层的最大剪应力由涂层表面转移到涂层界面,其值先减少,后保持稳定。涂层整体、涂层界面和涂层表面的最大主应力与最大剪应力,随涂层温度的升高而呈线性递减的趋势。纳米金刚石涂层的主应力集中在涂层的四周,而涂层的剪应力分布在涂层表面。纳米金刚石涂层表面较光滑,由大量纳米级的细小扁平颗粒紧密排布而形成。结论采用适当的工艺参数制备出厚度为0.1 mm的纳米金刚石涂层,其显微硬度和结合强度分别约为150HV和9 N。     

沉积时间和靶电流比例对磁控溅射TiAlN涂层耐磨性的影响研究

采用磁控溅射工艺在WC-8Co硬质合金基体表面制备了一层厚度分别为2.5μm、3μm和3.5μm的TiAlN涂层,并制备了不同Ti、Al比例的TiAlN涂层,利用摩擦磨损机考察了涂层的承载能力和摩擦学性能,通过扫描电子显微镜观察了磨损试件的表面形貌,通过摩擦系数和显微组织的演变来评价不同成分和不同厚度TiAlN涂层的摩擦学性能。结果表明,随着涂层厚度的增加,涂层的摩擦系数降低,涂层更不易被磨穿,表明在一定范围内增加涂层厚度有利于提高涂层的耐磨损性能;涂层的成分发生改变时,由于Ti、Al元素的共同作用,呈现不同的摩擦性能,当TiAl比例为50：50时,涂层的耐磨性最好。     

压裂球座结构优化分析及耐冲蚀研究

目的 提升水平井分段压裂中投球滑套球座的抗冲蚀磨损性能.方法 基于流体力学、冲蚀理论,采用Fluent软件建立压裂球座固-液两相流冲蚀模型,对球座冲蚀磨损进行研究,分析不同角度下双锥面结构对球座冲蚀磨损的影响.在此基础上,开展球座冲蚀试验,研究3种不同表面材料对球座冲蚀的影响.结果 数值模拟显示,球座的冲蚀磨损主要发生在前端锥面上,最大冲蚀速率发生在锥面与密封面交接处.其原因是,锥段直径逐渐减小,导致固相颗粒在过流断面上的速度和浓度增加,动能增大,使得在斜面导流作用下对锥面的撞击与切削次数增多,冲击力增强,造成壁面材料损失.冲蚀试验结果显示,在3种不同表面材料球座的冲蚀中,双涂层(有机涂层+碳化钨涂层)球座的耐冲蚀能力优于碳化钨涂层和硬质合金球座.结论 设计双锥面结构球座时,合理地选择锥面角度能够有效提升球座的耐冲蚀性能,否则会导致球座的抗冲蚀性能下降.对球座进行表面喷涂强化处理时,较单一涂层而言,选择双涂层的抗冲蚀能力更好.     

一种高精密液胀定位夹具的优化设计

考虑到薄壁套筒的薄壁长度、厚度,薄壁套筒环状凹槽的深度以及薄壁所受液压力的大小对工件的变形量、定位精度和夹紧力会造成影响,应用ANSYS平台对液胀定位夹具进行有限元建模,分析得出了薄壁套筒薄壁长度、厚度等参数对工件夹紧变形的影响规律,并且通过对目标进行结构优化设计,获得了优化的结构参数,优化后的结构使得液压油密封性能更好,工件和薄壁套筒变形更小,同时能够得到良好的夹紧力矩。结果表明:工件的变形量从1.5μm减小到0.9μm,薄壁套筒最大应力由292.88 MPa减小到282.34 MPa,薄壁套筒两端结合面径向变形由11.8μm减小到8.6μm,夹紧力矩由124.36 N·m减小到67.33 N·m。     

Residual stress distribution in different depths of TiNi/Ti2Ni-based laser clad coating prepared at different environmental temperatures

This study aimed to effectively reduce the cracking susceptibility of the laser clad coating by enhancing the environmental temperature during laser cladding, and reveal the residual stress distribution in different depths of the coating. The TiNi/Ti₂Ni-based coatings were prepared on Ti6Al4V by laser cladding at different environmental temperatures of 25, 400, 600 and 800 °C. The changes in residual stress along the depth of the coatings were investigated in detail by the nanoindentation method. Results showed that the average residual stress of 2.90 GPa in the coating prepared at 25 °C was largest. With the increase in environmental temperature, the average residual stress was reduced to 1.34 GPa (400 °C), 0.70 GPa (600 °C) and 0 GPa (800 °C). For all the coatings, the residual stress was increased with increasing the distance from the coating surface. Enhancing the environmental temperature can effectively reduce the cracking susceptibility of the coatings.     

Development of residual stress and damage in thermal barrier coatings

Photo-luminescence piezo-spectroscopy through the electron beam deposited (EBPVD) yttria-stabilised zirconia (YSZ) thermal barrier coating has been used to study the evolution of residual stress due to the alumina thermally grown oxide (TGO) formed on Pt-Al bond coats on CMSX-4 substrates. The coated specimens were thermally cycled between room temperature and 1150 °C, holding for 1 h at the top temperature. The experiments explored the effects of two different bond coat surface finishes (normal and polished) and thickness of YSZ from 70 to 270 μm.In most cases the mean TGO stress was found to gradually decrease with thermal cycling in agreement with previously published results. This is mainly due to rumpling increasing the waviness of the TGO and hence the ability to relieve stress by bending. For the same reason, the TGO residual stress in specimens with polished bond coats was higher initially than in those with a normal surface finish. Stress mapping showed that there are regions, approximately 100 μm in size, where the stress is particularly low (< 1 GPa compressive) and these were attributed to local TGO damage or delamination. The incidence of these low stress “events” increased markedly just before coating spallation. The failure was in the TGO, or in the YSZ close to the TGO, probably as a result of weakening in this region by the damage induced by rumpling and driven by the stored energy in the YSZ.     

DLC、TiN涂层对TC4钛合金抗砂尘冲蚀性能的影响

为提高TC4钛合金的抗砂尘冲蚀性能,采用金属蒸汽真空弧(MEVVA)离子源注入与磁过滤真空阴极弧(FCVA)沉积复合技术、磁控溅射技术在TC4钛合金表面制备DLC、TiN涂层。采用SEM、Raman、XRD、纳米压痕仪和划痕仪等方法对涂层的物相结构、硬度、弹性模量以及与基体的结合力进行表征。在冲蚀试验平台上考核试样在不同入射角度条件下的抗砂尘冲蚀性能。结果表明:DLC涂层表面结构致密,含有大量sp3键,硬度为62.1 GPa,弹性模量为391.64 GPa,结合力达80.4 N;TiN涂层表面存在许多熔滴颗粒及空穴,硬度为22.72 GPa,弹性模量为383.18 GPa,结合力达34.7 N。30°冲蚀条件下,涂层主要是通过提高基体表面硬度来抵抗砂尘粒子的微切削作用,从而提高TC4钛合金的抗砂尘冲蚀性能。90°冲蚀条件下,涂层通过延缓基体的塑性变形来实现TC4钛合金抗砂尘冲蚀性能的提高。     

含颗粒缺陷涂层材料线接触力学性能数值分析

目的建立线载荷作用下含颗粒缺陷涂层材料的数值分析模型,探究颗粒缺陷对涂层材料接触力学性能的影响,以期为工程实际中机械传动部件表面的涂层工艺优化设计提供理论指导。方法利用半解析法,构建考虑颗粒缺陷的含涂层非均质材料线接触模型,所得计算结果与有限元法结果吻合良好。基于该模型,研究了摩擦系数、颗粒缺陷的位置及分布对含颗粒缺陷涂层材料最大von Mises应力及其深度位置的影响。结果随着摩擦系数的增大,最大von Mises应力值逐渐增大,其深度位置从涂层内部阶跃至近表面。随着颗粒缺陷中心x坐标从左到右变化,最大von Mises应力值先增大后减小,其深度位置位于涂层与基体界面附近或颗粒缺陷近表面端的上端。随着颗粒缺陷与涂层表面距离的增大,最大von Mises应力值先增大,后减小,并逐渐趋于稳定,其深度位置先逐渐远离涂层表面,随后稳定在涂层内部或涂层与基体界面区域。分布颗粒缺陷对最大von Mises应力的影响较为复杂,其深度则位于涂层与基体的界面或颗粒缺陷与基体的界面附近。结论摩擦系数与颗粒缺陷的位置及分布对涂层材料线接触力学性能均能产生较大影响。     

Si含量对CrSiN涂层结构和性能的影响

目的在室温条件下,采用物理气相沉积(PVD)磁控溅射沉积方法,通过控制Si靶功率制备具有不同Si含量的CrSiN涂层,以探究Si元素对涂层结构和性能的影响。方法通过X射线衍射、能谱仪测试、纳米压痕测试、维氏硬度压痕测试和摩擦磨损实验,分别评价CrSiN涂层的结构、硬度、韧性和耐磨性能,并通过扫描电子显微镜对压痕形貌进行分析。结果所有CrSiN涂层均呈(111),(200)取向的Na Cl结构。随着Si含量增加,XRD峰呈宽化趋势,晶粒细化效果明显。随Si元素的加入,CrSiN涂层硬度、模量和韧性均呈先增加后降低的趋势。相比Cr N涂层,Si的原子数分数为3.2%时,CrSiN涂层的硬度由21.4 GPa增至35.7 GPa,模量由337.7 GPa增至383.9 GPa,塑性指数由0.5增至0.55,实现了强韧一体化。加入Si元素,CrSiN涂层的耐磨损性能得到改善,且Si的原子数分数为3.2%,磨损率最低,为1.0×10~(-17)m~3/(N·m),提高了约一个数量级。结论 Si元素的加入可以有效改善CrSiN涂层的结构,提高CrSiN涂层的硬度、韧性和磨损性能,但需加入适量的Si,才可实现性能最优化。     

基片偏压占空比对多弧离子镀TiAlSiN涂层形貌及力学性能的影响

目的采用多弧离子镀膜技术在硬质合金基体表面沉积TiAlSiN涂层,研究占空比参数对TiAlSiN涂层的表面形貌和力学性能的影响。方法使用扫描电子显微镜对涂层的形貌进行观察,使用自动划痕仪、纳米压痕仪对涂层的力学性能进行检测。结果占空比在10%~70%范围内增加,离子轰击得到加强,涂层表面得到很好的改善,大颗粒与微坑缺陷数量逐渐减少。当占空比增大到90%时,大颗粒和微坑缺陷数量反而增多。结论随着占空比的增加,纳米硬度、弹性模量和涂层结合力均先增大后减小,占空比为50%时,分别达到最大值48.15 GPa、518.24 GPa、50.55 N。     

Thermal conductivity and elastic modulus evolution of thermal barrier coatings under high heat flux conditions

Laser high heat flux test approaches have been established to obtain critical properties of ceramic thermal barrier coatings (TBCs) under near-realistic temperature and thermal gradients that may be encountered in advanced engine systems. Thermal conductivity change kinetics of a thin ceramic coating were continuously monitored in real time at various test temperatures. A significant thermal conductivity increase was observed during the laser-simulated engine heat flux tests. For a 0.25 mm thick ZrO₂-8% Y₂O₃ coating system, the overall thermal conductivity increased from the initial value of 1.0 W/m K to 1.15, 1.19, and 1.5 W/m K after 30 h of testing at surface temperatures of 990, 1100, and 1320 °C, respectively, Hardness and elastic modulus gradients across a 1.5 mm thick TBC system were also determined as a function of laser testing time using the laser sintering/creep and microindentation techniques. The coating Knoop hardness values increased from the initial hardness value of 4 GPa to 5 GPa near the ceramic/bond coat interface and to 7.5 GPa at the ceramic coating surface after 120 h of testing. The ceramic surface modulus increased from an initial value of about 70 GPa to a final value of 125 GPa. The increase in thermal conductivity and the evolution of significant hardness and modulus gradients in the TBC systems are attributed to sintering-induced microporosity gradients under the laser-imposed high thermal gradient conditions. The test techniques provide a viable means for obtaining coating data for use in design, development, stress modeling, and life prediction for various TBC applications.