再制造的热喷涂合金涂层的结构完整性与服役寿命预测研究

热喷涂技术是再制造工程的支撑技术,热喷涂涂层是再制造领域中常见的表面涂覆层,其初始质量和服役寿命为人关注.本文以等离子喷涂为例,研究了与工艺相关的涂层完整性和与服役条件相关的涂层寿命和失效机理.以不同H_2流量、功率和送粉量为条件,研究了工艺参数对涂层孔隙率和微观力学性能的影响.以接触疲劳过程为手段,研究了涂层寿命预测方法和寿命衰退机理.结果表明,工艺参数可以不同程度地影响涂层的结构完整性,通过优化设计可以大幅提高涂层质量;基于大样本空间建立的S-N曲线可以直观预测涂层接触疲劳寿命,机理分析表明,点蚀、剥落和分层失效诱因不尽相同,分别由粗糙接触、近表面缺陷和剪切应力导致.     

表面完整性对涂层滚动接触疲劳寿命影响的研究进展

疲劳是涂层在滚动接触条件下的主要失效形式。涂层的表面完整性（包括粗糙度、显微结构和结合强度、残余应力、厚度、硬度）直接影响了涂层的接触疲劳失效机理,基本决定了涂层的服役寿命。本文在系统综述国内外关于接触疲劳研究的基础之上,对涂层表面完整性引起的接触疲劳失效机理和参数优化准则进行了总结,并展望了表面完整性参数对接触疲劳影响的研究途径,以期为研究涂层制备工艺与涂层疲劳寿命预测与评估的学者提供参考。     

超音速等离子喷涂层的接触疲劳失效研究进展

介绍了超音速等离子喷涂层在服役过程中常见的4种疲劳失效形式(表面磨损、点蚀、分层和剥落)及其发生的机理。综述了涂层结构完整性对疲劳失效的影响,即粗糙度、孔隙率和微裂纹对疲劳失效的作用机制。总结了不同的服役条件(接触应力、润滑状态)对疲劳磨损失效的影响规律,展望了接触疲劳失效机制的研究方向,指出应从涂层内部结构和服役条件来揭示疲劳损伤机理。     

滚动轴承接触疲劳失效的影响因素及其研究现状

滚动轴承接触疲劳失效是滚动轴承的主要失效形式之一。本研究以轴承的制造过程和服役过程为主线，从材料质量、加工工艺、热处理质量、表面状态、润滑状态、设计与装配、服役环境及条件等方面，概括滚动轴承接触疲劳失效影响因素的研究现状，并展望其发展趋势。研究认为，滚动轴承接触疲劳失效是多因素耦合作用的结果，提高滚动接触疲劳寿命应从轴承全寿命周期，包括设计、制造、精度控制以及润滑、装配、服役等各方面进行控制。由于服役特征不同，滚动轴承接触疲劳失效分析必须针对具体失效轴承进行综合分析，才能采取有效的预防措施。     

马氏体轴承钢碳氮共渗滚动接触疲劳失效机理EI北大核心CSCD

碳氮共渗工艺应用广泛,但对碳氮共渗后零部件的滚动接触疲劳失效机理研究较少。采用气体碳氮共渗对马氏体轴承钢进行表面改性处理,对碳氮共渗试样进行滚动接触疲劳试验,研究碳氮共渗对轴承钢滚动接触疲劳性能的影响及其失效机理。研究结果表明:碳氮共渗试样表面硬度、残余应力和残余奥氏体含量显著提高,使得其接触疲劳寿命明显高于常规试样。疲劳裂纹萌生于表面和亚表面,其中大量表面平行裂纹主要由表面白色蚀刻层硬度梯度变化而导致,表面材料受到严重微观塑性变形产生晶粒细化;亚表面裂纹萌生位置受最大应力的分布和渗层厚度的影响。表面和亚表面疲劳裂纹的扩展和连接最终导致碳氮共渗试样出现浅层剥落和分层剥落的失效形貌。     

服役工况及喷丸强化对航空齿轮钢接触疲劳性能的影响

目的 针对不同服役工况和表面处理下航空齿轮钢接触疲劳性能不明确的问题,探究不同工况参数及喷丸强化对AISI 9310航空齿轮钢接触疲劳性能的影响。方法 基于双圆盘滚动接触疲劳试验台,对AISI 9310航空齿轮钢圆盘滚子试件在2种接触应力、3种滑差率的服役工况,以及渗碳磨削、喷丸强化2种工艺下开展滚动接触疲劳性能研究。使用白光干涉仪、X射线衍射应力仪和显微硬度仪对喷丸强化前后的表面形貌、残余应力和显微硬度进行表征,探究喷丸处理后的表面完整性与滚动接触疲劳性能之间的规律。结果 当接触应力由2.5 GPa增至3.0 GPa时,AISI 9310试件的滚动接触疲劳寿命降低了64.7%;当滑差率由10%增至20%、30%时,试件的滚动接触疲劳寿命分别下降了18.9%和42.8%,同时寿命分散性有所降低。此外,研究发现喷丸强化使试件表面残余压应力提升了104.3%,并形成了残余压应力层,表面显微硬度提升了4.8%,同时使试件的沟壑状刀痕转变为凹凸不平的弹坑,表面性状宽高比提升至0.931 0,更有利于润滑油的储存,从而使得试件的滚动接触疲劳寿命提升了87.8%。结论 获取了不同接触应力、滑差率和...     

表面完整性研究现状及发展趋势

疲劳失效是金属结构失效的重要形式之一,提高零件疲劳性能可以有效增加结构使用寿命。对于低周和高周疲劳,绝大多数疲劳裂纹萌生于零件表面。因此,表面完整性对金属材料疲劳行为有重要影响。简述了表面完整性的内涵,指出表面完整性不仅包括如粗糙度、波纹度、表面裂纹等的表面形貌特征,也包含如加工之后零件表面的残余应力、塑性变形、组织形貌等物理化学变化特征。总结了表面完整性工艺的研究现状,说明机械铣削、电火花线切割、磨削、喷丸强化、光饰等加工工艺对表面完整性的影响。综述了表面完整性表征模型的建立,指出各表面完整性特征参数对表面完整性影响的比重。分析了国内表面完整性发展趋势,指出表面完整性工艺研究与表面完整性表征模型相互促进的作用,提出表面完整性工艺与表面完整性表征模型的交叉研究。最后,对提高表面完整性及建立影响表面完整性的参数模型提出了建议。     

辙叉用新型贝氏体钢的滚动接触疲劳性能

分别对用普通冶炼工艺和电渣重熔工艺得到的辙叉用新型贝氏体钢进行滚动接触疲劳性能试验,结果表明由电渣重熔工艺得到的新型辙叉用贝氏体钢具有更加优良的接触疲劳性能,且两种工艺的材料接触疲劳寿命都随试验应力的增加而降低。相较于纯滚动试验,滑差的存在将增大材料的塑性变形和造成材料温度升高,引起材料接触疲劳寿命的显著下降。通过观察发现,新型辙叉用贝氏体钢的主要失效形式为麻点剥落和浅层剥落。     

环境障涂层失效机理研究进展

环境障涂层涂覆在SiC/SiC复合材料表面,阻止或减缓水蒸气对基体材料的腐蚀,提高SiC陶瓷基复合材料的服役温度与寿命。环境障涂层使用温度高,所用材料一般为脆性陶瓷类材料,极易发生损伤失效,其失效机理研究伴随整个材料体系的发展过程,与服役环境密切相关。本研究主要综述环境障涂层在高温氧化、热冲击及水氧耦合典型工作环境下的失效机理研究进展。结果表明:环境障涂层失效除了与涂层各层的稳定性有关,还受各层之间的相容性影响;建议今后新型涂层研制中关注各层之间的反应。     

Cu系纳米金属多层膜微柱体的形变与损伤及其尺寸效应

纳米金属多层膜材料已成为目前高性能微元器件以及互连结构的核心材料体系,其服役过程中的变形损伤与断裂是导致系统失效的关键因素.以本课题组近年来的研究结果为基础,结合当前国内外有关金属多层膜微柱体塑性变形行为研究的最新进展,阐述了金属多层膜微柱体微观结构-尺寸约束-服役性能三者之间的关联性,揭示了金属多层膜微柱体变形模式与损伤的内在规律,归纳了晶体/晶体与晶体/非晶两类层状结构材料加工硬化/软化行为的微观机理,并对纳米金属多层膜研究的发展趋势进行了展望.     

基于MATLAB GUI的角接触球轴承接触疲劳寿命计算系统设计

滚动轴承是机器中广泛应用的零件之一,依靠滚动体和滚道间的滚动接触来支承转动零件,轴承的使用寿命是轴承质量的重要衡量指标。针对滚动轴承失效形式主要是疲劳点蚀,往往采用接触疲劳寿命来反映轴承寿命,它综合考虑了轴承材料、接触特性等因素,更符合实际工况。采用MATLAB GUI软件平台完成角接触球轴承接触疲劳寿命计算系统设计,该系统使用方便,只需输入相关参数,便可计算出接触疲劳寿命、最大接触载荷和最大接触应力等参数,结果可在系统界面显示或输出txt文件和excel表格。该系统大大缩短了轴承寿命计算周期,提高轴承设计效率和精度。通过多次工程设计验证,该系统高效可靠,为工程设计中其他复杂计算系统的开发提供了参考。     

激光熔覆在高速列车上的应用研究现状

高速列车轮轨、制动盘、车轴是易发生磨损的部件，采用激光熔覆技术能有效改善磨损或对损伤部件进行修复。综述了激光熔覆应用于高速列车轮轨、制动盘、车轴的研究现状。归纳了现有研究中各部件所采用的熔覆材料。总结了不同部件所关注的性能，针对不同部件的特性，分析了其对激光熔覆层性能的需求和应采用的熔覆层性能测试方法。对于列车轮轨，旨在通过激光熔覆涂层提高其接触面抗磨损和抗滚动接触疲劳性能；对于制动盘，旨在通过涂层减小其摩擦磨损和热疲劳；对于车轴可采用激光熔覆技术对已损伤的部位进行修复，并应重点关注车轴修复后的疲劳性能。此外，提出了激光熔覆实际应用于高速列车部件上现存的几个关键问题，包括：激光熔覆热影响区组织对部件服役性能的影响；激光熔覆残余应力的影响；激光熔覆低效率和高稀释率的问题；激光熔覆组件热损伤问题。目前的研究主要集中于激光熔覆材料的选择和性能评价，而从组织演变、残余应力及服役性能三者综合考虑的轨道交通理论基础有待构建。     

The Sensitivity of Abradable Coating Residual Stresses to Varying Material Properties

This paper reports recent research on abradable materials employed for aero-engine applications. Such thermal spray coatings are used extensively within the gas turbine, applied to the inner surface of compressor and turbine shroud sections, coating the periphery of the blade rotation path. The function of an abradable seal is to wear preferentially when rotating blades come into contact with it, while minimizing over-tip clearance and improving the efficiency of the engine. Thermal spraying of an abradable coating onto a substrate imparts two components of residual stress; rapid quenching stresses as the spray material cools on impact and stresses arising from differential thermal contraction. In-service thermal stresses are superimposed by the differential expansion of these bonded layers. The combination of the production and operation history will lead to thermal-mechanical fatigue damage within the abradable coating. The present paper will describe the numerical modeling and sensitivity analysis of the thermal spray process. The sensitivity of residual stresses (with varying material properties, coating/substrate thickness, Poisson’s ratio, and substrate temperature) predicted by the Tsui and Clyne progressive deposition model enabled identification of performance drivers to coating integrity. Selecting material properties that minimize in-service stresses is a crucial stage in advancing future abradable performance.     

等离子喷涂典型耐磨涂层材料体系与性能现状研究

等离子喷涂作为重要的热喷涂技术之一,在零件表面强化处理与再制造损伤修复领域具有广泛的应用.由于不同机械零部件工作环境(温度、转速、腐蚀环境、润滑状况等)、基体材质及运动形式等因素存在较大的差异,因而通常需根据其具体服役工况选择最优的表面强化涂层,以满足零件表面摩擦学性能需求,提升机械装备的综合服役性能.基于此,对国内外采用等离子喷涂技术所制备的典型耐磨涂层的材料体系及涂层性能进行了详细地综述,系统介绍了组织成分、物相结构、力学性能、服役工况等因素对典型涂层(包括金属基涂层、陶瓷基涂层及多相复合涂层等)摩擦学性能的影响机理.结果表明,涂层的摩擦学性能受到涂层自身特性相关的内因(包括孔隙率、力学性能、组织成分等)和服役工况相关的外因(包括载荷、频率、润滑状态、工作介质等)的影响;典型金属基耐磨涂层包括Fe基、Ni基和Mo基涂层等,通过表面处理、后处理和工艺优化等手段,可显著改善涂层的摩擦学性能;采取不同的喷涂方式因颗粒熔化程度差异,使陶瓷基涂层产生不同的磨损程度;针对纳米、微米结构的陶瓷基涂层进行对比分析,发现纳米涂层通过吸收应力而降低磨损;复合涂层通过添加润滑相能够降低其摩擦因数、减轻涂层磨损,其中相较于单一润滑相,多组润滑相能通过发挥协同润滑效果,使涂层在不同温度区间下保持良好的耐磨性.最后,对等离子喷涂涂层耐磨性能的提升和优化方向进行了展望.     

表面纳米化对材料性能影响的研究进展与展望

工程零部件失效常源于表面,微组织结构显著影响甚至决定工程零部件使役性能,表面纳米化技术可诱导材料微组织结构变化产生纳米晶结构表面层,增大表层残余压应力,对材料性能有极其重要的影响。首先综述了表面纳米化诱导微组织结构变化的过程及机理,诱导材料产生晶粒细化、位错运动、残余压应力增大、相变等微观变化,诱因有塑性变形、温度变化、元素渗入等。其次归纳了表面纳米化对材料性能的影响及其机理,上述微观变化对材料疲劳强度、耐腐蚀性、摩擦磨损性能、生物学性能等产生显著影响。总结了各个典型表面纳米化工艺的特点,相比于其他表面纳米化技术,超声振动辅助加工具有不需引入其他元素、不污染环境、原理简单、高速高质量、成本低廉、可依托于各种传统加工工艺等优势,对材料摩擦磨损性能、疲劳性能、生物学性能、表面浸润性和耐腐蚀性等具有积极作用。最后对表面纳米化工艺的未来发展做了展望,其中针对性分析了超声振动辅助加工。针对纳米晶结构表面层的数字化仿真模拟极其匮乏这一现状,将模拟仿真与试验相结合,分析微组织结构与加工参数、微组织结构与材料性能的映射关系并建立模型直观反映尚需更全面系统的研究。材料的某些性能可能不会同时达到最优值,依...     

氧化锆粉体的制备及其在热障涂层中的应用

分别描述了纳米氧化锆粉体与空心球氧化锆粉体的制备工艺，分析了不同工艺影响氧化锆产物形态、结构、粒度等方面的因素，并将2种粉末制备的涂层分别与传统微结构涂层进行性能对比。在分析由不同氧化锆粉末制备而成的涂层性能时，除了工艺参数外，更多的是考虑初始氧化锆粉末对涂层性能所带来的影响。期待在未来的研究中，能够优化现有或者探索出更优异的制粉工艺，研究出性能更加优良的新型粉末，以期能够提高热障涂层的性能，满足高精尖领域在未来的使用需求。最后，针对不同制粉工艺及不同粉末制备涂层的发展方向进行了展望。     

加Si提高PCVD TiN基镀层的耐蚀性和力学性能

在直流PCVDTiN镀膜过程中，加入Si形成（Ti，Si）N镀层。用SiH4作为气源，代替一部分金属卤化物，可降低镀层中的氯含量。含16％Si的（Ti，St）N比二元TiN镀层有较高的硬度。用划痕法和对滚法评定了二者的结合强度。三元镀层在界面上用TiN作底层，则TiN和（Ti，Si）N的界面疲劳强度是相同的。（Ti，Si）N比TiN在高温下有较高的抗氧化性能。用电化学腐蚀方法测定在3．5％NaCl溶液中的耐腐蚀性表明，（Ti，Si）N镀层优于TiN。     

超硬涂层材料滚动接触应力场数值模拟

分析研究了超硬涂层材料滚动接触的应力场，应用数值模拟技术和有限元分析软件ANSYS，以推力球轴承为研究对象建立超硬涂层材料滚动接触模型，分析材料特性对超硬涂层材料滚动接触应力场的影响。研究结果表明，最大剪切应力发生在涂层和基体结合处，同时基体内的应力也比单一材料时的应力大。     

热作模具修复层表面滚压加工研究进展

热作模具因工作环境恶劣,在服役过程中易出现失效,造成资源浪费和成本升高。热作模具修复工艺可以延长其使用寿命、提高生产效率,修复层需经加工才能在表面质量和尺寸精度上满足使用要求。滚压加工是一种经济高效的光整强化工艺,通过滚压工艺可以提高热作模具修复层力学性能和使用性能,对热作模具修复层滚压加工的研究逐渐成为当前的研究热点。介绍了热作模具常见的失效形式和性能要求,从修复预处理、修复方法、修复后处理三方面概述了热作模具修复工艺研究现状,综述了修复层滚压加工研究现状,分析了传统滚压存在的问题,对滚压工艺的发展和热作模具超声滚压研究进展进行了介绍。在此基础上,对热作模具修复层的超声滚压加工研究进行了展望。