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。     

AlCrN涂层的残余热应力分析

采用ANSYS有限元分析软件中的瞬态分析方法,对涂层刀具沉积过程中残余热应力进行了仿真分析。研究了AlCrN涂层残余热应力的大小、分布和影响因素。结果表明:由于涂层与基体材料的热膨胀系数不匹配,结合面区域存在严重的应力集中;基体材料、涂层厚度、沉积温度以及中间层的使用对残余应力有很大影响;基体材料为高速钢时,AlCrN涂层内残余应力大以压应力为主并随着涂层厚度的增加而减小;基体为硬质合金时,残余应力相对较小,涂层内以拉应力为主并随基体钴含量和涂层厚度的增加而减少;增加中间层可以减小残余应力。因此,通过涂层和不同基体匹配以及增加中间层可以缓和界面应力增强界面结合强度。     

AlCrN涂层的残余热应力分析

采用ANSYS有限元分析软件中的瞬态分析方法,对涂层刀具沉积过程中残余热应力进行了仿真分析.研究了AlCrN涂层残余热应力的大小、分布和影响因素.结果表明:由于涂层与基体材料的热膨胀系数不匹配,结合面区域存在严重的应力集中;基体材料、涂层厚度、沉积温度以及中间层的使用对残余应力有很大影响;基体材料为高速钢时,AlCrN涂层内残余应力大以压应力为主并随着涂层厚度的增加而减小;基体为硬质合金时,残余应力相对较小,涂层内以拉应力为主并随基体钴含量和涂层厚度的增加而减少;增加中间层可以减小残余应力.因此,通过涂层和不同基体匹配以及增加中间层可以缓和界面应力增强界面结合强度.     

金属基复合材料界面性能对残余应力的影响

采用ANSYS有限元软件计算涂层法制备的SCS-6 SiC/Ti-6Al-4V复合材料内热残余应力,分析了界面性能对热残余应力的影响。结果表明:较高的热膨胀系数(CTE)导致界面层产生高的应力梯度,使环向残余应力由低热膨胀系数时的压应力转变为较高的热膨胀系数时的拉应力;界面层弹性模量的增加,使得纤维和界面层内径向残余压应力明显增加,但对基体中的残余应力影响并不大;界面层厚度的变化对基体中径向残余应力影响不大,但随着界面层厚度增加,基体中残余应力有所减小。     

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。     

连续SiC纤维增强Ti基复合材料中的残余热应力

提出了用"残余应变不平衡法"来检测SiCf/Ti基复合材料的残余热应力.即在复合材料中单边多加入基体合金而形成层状材料,冷却中因残余热应变不平衡而产生弯曲,测量弯曲变形量,计算复合层间的热应力和应变,得出产生残余热应力的起始温度为704℃.采用Schapery模型计算不同温度下SiCf体积分数为35%的SiCf/Ti6Al4V复合材料热膨胀系数,获得了SiCf/Ti6Al4V复合材料中Ti6Al4V基体和SiC纤维中的平均残余热应力分别为349 MPa和648MPa.     

TiAlN涂层的热残余应力分析

采用有限元方法分析氮铝钛涂层的残余热应力,研究不同的基体及过渡层对残余热应力分布的影响。结果表明：当基体为硬质合金时,涂层内以拉应力为主,而基体为不锈钢时,涂层内以压应力为主;增加过渡层可以使涂层内的残余应力减少40%以上;硬质合金基体中涂层的拉应力随基体钴含量和涂层厚度的增加而减少;无过渡层时,不锈钢基体存在明显的塑性约束区,有过渡层时,随着界面应力的减少,塑性约束区明显减小或消失。因此,通过不同的涂层和基体搭配可以改善应力场,同时增加过渡层可以缓和界面应力和增强界面结合力。     

SiC纤维增强钛基复合材料中涂层性能对残余热应力的影响

采用ANSYS有限元分析软件,对Si C/Ti-6Al-4V复合材料残余热应力进行数值模拟,分析了纤维表面附着涂层的材料性能对热残余应力的影响。结果表明,残余热应力与涂层的杨氏模量和热膨胀系数有关,与无涂层时相比,低模量涂层能减小该复合材料的界面残余热应力。计算得出涂层存在一定值Er,杨氏模量小于Er值的涂层能有效降低界面残余热应力,且Er值随热膨胀系数的增大而减小。     

纳米掺杂Al2O3基等离子喷涂涂层残余应力分析

利用逐层剥离X射线衍射法,测定了纳米粒子掺杂对Al2O3 13%TiO2(AT13)等离子喷涂涂层残余应力的影响.结果证明AT13等离子喷涂涂层残余应力分布为:陶瓷涂层部分为压应力;Al/Ni过渡层由陶瓷涂层到钢基体,由压应力过渡到拉应力;在距钢基体0.05mm处现拉应力峰值.随着纳米掺杂量的增大,陶瓷涂层及Ni/Al过渡层残余应力绝对值降低,这对改善陶瓷涂层性质是十分有益的.     

纤维增强金属基复合材料中轴向热残余应力分析

采用ANSYS有限元分析软件,通过显微复合材料模型,系统地分析了纤维直径、TiC 中间层厚度、纤维体积分数和制备温度等因素对SiC纤维增强Cu基复合材料轴向热残余应力的影响特征.结果表明,纤维直径的变化并不影响热应力的人小,但直径越小应力梯度越大;TiC中间层的厚度变化对自身及基体中的应力影响较小:但制备温度的变化对TiC层中的热应力影响较大;纤维体积分数的变化对纤维和基体中的热应力也有着非常显著的影响.     

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.     

Thermal residual stresses and stress distributions under tensile and compressive loadings of short fiber reinforced metal matrix composites

1　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＤｕｅｔｏｌａｒｇｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｉｎｔｈｅｒｍａｌｅｘｐａｎｓｉｏｎｃｏ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｆｉｂｅｒａｎｄｔｈｅｍａｔｒｉｘａｎｄｓｐｅｃｉａｌｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌｓｈａｐｅｏｆｔｈｅｆｉｂｅｒ ,ｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｅｓ (ＴＲＳ) ｇｅｎｅｒａｔｅｄｄｕｒｉｎｇｃｏｏｌｉｎｇｆｒｏｍｈｉｇｈ(ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ)ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｔｏｒｏｏｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｈａｖｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｉｎｆｌｕｅｎｃｅ…     

新型热障涂层用陶瓷材料及涂层性能计算机数值模拟研究进展

随着先进涡轮发动机性能的进一步提升,寻求低热导率、高热膨胀系数的新型陶瓷材料已经成为热障涂层领域的研究热点。计算机数值模拟在新型陶瓷及其涂层性能研究方面发挥了重要作用。综述了新型热障涂层陶瓷材料相结构、热物理性能、力学性能和对应涂层隔热性能、涂层有效热导率及涂层热应力等几个方面国内外计算机数值模拟研究成果,并指出了以上几个方面计算机数值计算研究存的不足。未来材料物理性能计算应当多研究元素掺杂及新材料相结构随温度和压力的变化关系,开发新的数学模型提高热导率、热膨胀系数及各种力学性能参数的计算精度。涂层的隔热性能和有效热导率方面应当进一步系统化,将各种涂层结构、涂层显微组织、材料组成及导热方式的影响考虑在内,开发新的计算方法并提高计算精度;涂层的冲击和残余热应力计算中未引入基体条件(材质、尺寸、粗糙度、温度)、涂层结构、界面形貌、涂层缺陷、单层厚度、服役环境等方面的影响,并应注重与实验结果进行对比。     

Cross-Sectional Residual Stresses in Thermal Spray Coatings Measured by Moiré Interferometry and Nanoindentation Technique

A plasma-sprayed thermal barrier coating (TBC) was deposited on a stainless steel substrate. The residual stresses were firstly measured by moiré interferometry combined with a cutting relaxation method. The fringe patterns in the cross-section of the specimen clearly demonstrate the deformation caused by the residual stress in thermal spray coatings. However, restricted by the sensitivity of moiré interferometry, there are few fringes in the top coat, and large errors may exist in evaluating the residual stress in the top coat. Then, the nanoindentation technique was used to estimate the residual stresses across the coating thickness. The stress/depth profile shows that the process-induced stresses after thermal spray are compressive in the top coat and a tendency to a more compressive state toward the interface. In addition, the stress gradient in the substrate is nonlinear, and tensile and compressive stresses appear simultaneously for self-equilibrium in the cross-section.     

热喷涂涂层残余应力的测试与分析

利用改进的Ａｌｍｅｎ试验方法对多种热喷涂涂层的残余应力进行了测试与分析。首次提出了热喷涂涂层应变滞后于温度或外加应力这种现象的物理模型,并提出了因热喷涂涂层本身的多孔特性而引起的“气塞”作用是造成这一现象的主要原因。试验证明了热喷涂涂层的残余应力与涂层的厚度是线性关系,并且无论涂层的残余应力是压应力还是拉应力,它们都随涂层厚度的增加而增大。本文还证实了热喷涂工艺方法对涂层残余应力有着重大的影响,其     

NiAl/NiCoCrAlY/8YSZ复合喷涂层的微观结构与性能研究

目的提高金属/陶瓷隔热涂层体系在海洋环境下的耐腐蚀性能。方法利用冷喷涂方法制备NiAl复合打底层和Ni CoCrAlY粘结层,与等离子喷涂制备的8YSZ陶瓷层构成适用于海洋环境的多层结构耐蚀隔热涂层体系。利用FE-SEM分别观察喷涂态粘结层和陶瓷层的表面、横截面形貌,通过EDS分析涂层元素分布;利用XRD分析表征涂层的物相组成;借助万能材料试验机,采用拉伸法测试涂层结合强度;利用热循环试验和焰流冲刷试验测试涂层的耐高温性能。结果微观分析表明,冷喷涂制备的NiAl复合打底层和Ni CoCrAlY粘结层形貌致密,涂层材料未发生明显氧化,颗粒变形程度不一,粘结层与基体间的结合强度约为18.4 MPa,粘结层与8YSZ陶瓷层界面结合紧密。陶瓷层物相结构和成分稳定,涂层经12次热震循环和1000个周期的高温焰流冲击后,表面未出现开裂、起皮和脱落。结论采用冷喷涂法和等离子喷涂法联合制备的耐蚀隔热复合涂层体系具备良好的耐热性和耐腐蚀性。冷喷涂制备的金属涂层结构致密,孔隙率低,与陶瓷层结合良好,能够有效提高涂层体系在腐蚀性环境中的耐蚀性能。NiAl复合涂层可以缓解Ni CoCrAlY粘结层和铝合金基材间的热匹配问题,增强涂层的结合性能。     

真空压力浸渗制备CF/Al复合材料热收缩与残余应力数值模拟与实验研究

针对连续碳纤维增强铝基复合材料(CF/Al复合材料),采用细观力学数值模拟与热性能试验结合的方法,研究了真空压力浸渗制备过程中的热收缩行为和热残余应力分布。结果表明,复合材料的横向热收缩应变量远大于轴向热收缩应变量,且具有横观各向同性,纤维随机分布的单胞有限元模型能够准确地预测复合材料轴向与横向热收缩行为曲线;复合材料制备完成后纤维和基体合金分别处于压应力和拉应力状态,基体和纤维的横向残余应力均小于其轴向残余应力,且均表现出横观各向同性;基体合金在轴向残余拉应力作用下会出现不同程度的损伤现象,特别是纤维间距较小部位过高的残余应力会引发界面的局部失效,从而不利于发挥复合材料承载性能,减少纤维局部偏聚是进一步改善提高复合材料力学性能的重要技术手段。