涂层结构对AlSi/PHB封严涂层热应力影响的有限元分析

可磨耗封严涂层是提升航空发动机气密性和运行效能的一种重要途径,而涂层结构对其热应力及使用寿命具有重要影响。本研究以AlSi/PHB封严涂层为研究对象,利用ABAQUS有限元仿真软件和Python编程语言建立了具有不同结构参数的涂层有限元模型,系统研究了面层厚度、聚苯酯颗粒及孔隙结构特性对热震工况下涂层热应力的影响规律。结果表明：当面层厚度为0.1 mm～1.9 mm时,面层厚度对涂层-基体界面应力的影响小于其对涂层侧面应力的影响,且当面层厚度超过0.3 mm左右时,涂层中出现最大拉应力的部位由涂层-基体界面转变为涂层侧面;当聚苯酯颗粒含量为30 vol.%～50 vol.%时,随着聚苯酯含量的增加,涂层-基体界面和涂层侧面的峰值应力均波动不明显;当面层孔隙率为5 vol.%～15 vol.%时,涂层-基体界面峰值应力随孔隙率的增大呈现先降低后增大的趋势;当孔隙直径为60μm～110μm时,涂层内部峰值拉应力随孔隙直径的增大而增大。综合考虑涂层结构与热应力的关系,AlSi/PHB封严涂层的结构参数优选为：面层厚度为0.3 mm～1.1 mm之间,聚苯酯颗粒含量为40 vol.%～50 v...     

机械合金化制备Al-Al2O3-ZrO2-Y2O3复合涂层及其性能研究

通过机械合金化在室温下于304不锈钢表面成功制得Al-Al2O3-ZrO2-Y2O3复合涂层。通过相关实验分析了复合涂层的组织形貌、显微硬度及高温氧化性能。结果表明:随着球磨时间的增加,涂层厚度先增加后减小;当球磨时间为8h时,涂层最为致密,平均厚度约为200μm;当球磨时间为14h时,涂层部分剥落,涂层厚度减小。涂层的显微硬度明显高于基体,且从表层到基体呈梯度下降,最高显微硬度值达HV0.1525,为基体硬度的2倍多。Al-Al2O3-ZrO2-Y2O3复合涂层的抗高温氧化性能良好。     

等离子喷涂高温涂层残余应力模拟比较研究

本文运用有限元方法对等离子喷涂高温涂层(包括W涂层、Zr C涂层和Zr O2涂层)沉积过程中涂层内部残余应力进行了数值模拟计算,着重对涂层表面及涂层与钛合金基体界面处径向应力进行分析,讨论了这三种高熔点材料及不同的涂层厚度(0.2mm,0.5mm,0.8mm和1.0mm)对残余应力状态及分布的影响。结果表明,涂层表面处,Zr C涂层径向应力值最大;涂层与基体界面处,随着涂层厚度的增加,W涂层径向应力值逐渐超过Zr C涂层;Zr O2涂层在其表面及涂层与基体界面处的径向应力值在三种材料中均为最小。涂层内部径向应力分布均匀,在试样边缘处,W涂层和Zr C涂层应力集中和突变现象较为显著,而边缘效应对Zr O2涂层影响较小。     

铺粉厚度对Mo2FeB2涂层组织与性能影响研究

为了探究铺粉厚度对Mo₂FeB₂涂层成形质量和性能的影响机制,采用激光熔覆预置粉末法制备Mo₂FeB₂涂层,研究铺粉厚度对Mo₂FeB₂涂层形貌、显微组织、显微硬度及耐磨性的影响。研究发现：当铺粉厚度增加,涂层的高度、宽度增加,稀释率逐渐降低;铺粉厚度对涂层的相组成没有影响,但涂层中存在的主要相组成有助于提高涂层的硬度、耐磨性等性能;对涂层的微观组织观察发现,随着铺粉厚度的增加,枝晶的数量呈现先增大后减小的趋势,枝晶大小先不变后减小,且铺粉厚度为1.0 mm时枝晶间隙小于另外两种厚度;金相打点测试和元素映射结果表明涂层中出现明显的元素偏析;显微硬度测试表明,铺粉厚度的增加有利于提高涂层的平均硬度;磨损测试表明,铺粉厚度的增加有利于提高涂层的耐磨性能。通过对不同铺粉厚度的宏观形貌、微观组织、硬度及耐磨性分析,综合实际需求与经济效益,1.0 mm为最佳铺粉厚度选。     

低压等离子喷涂耐高温涂层残余应力检测及分析

采用低压等离子工艺制备耐高温可磨耗涂层,通过光学显微镜观察了耐高温涂层的显微结构,采用逐层法与曲率法相结合的检测技术,对不同厚度涂层残余应力进行检测,形成了涂层厚度与残余应力分布及趋势图,运用热处理技术控制和消除涂层内部残余的涂层应力。结果表明,低压等离子喷涂的耐高温涂层表面残余应力随着涂层厚度的增加而增大,当涂层厚度达到0.6mm左右极限时,涂层会发生自然开裂,采用热处理的工艺方法可以减少涂层内的热应力导致的涂层残余应力。     

TZM 基体上制备 Al2O3 涂层的热冲击性能研究

单节热离子燃料元件为了保证接收极与冷却剂NaK合金及与其接触的装置绝缘,采用等离子喷涂方法在接收极钼钛锆合金(Mo-0.5Ti-0.08Zr,通用牌号为TZM)表面制备了Al_2O_3绝缘涂层。本工作对比研究了经过不同次数的高温(20℃—1250℃—20℃)热冲击后TZM基体上Al_2O_3涂层的相组成、表面形貌、涂层基体的结合强度及涂层表面应力状态。结果表明,热冲击后氧化铝涂层由γ-Al_2O_3和α-Al_2O_3相混合全部变为α-Al_2O_3,涂层孔隙数量增多,涂层表面平整度下降,结合强度由21.1MPa下降到6.7MPa。涂层与基体的应力状态由拉应力转变为压应力。     

基于正交试验的热障涂层性能变化规律研究

热障涂层广泛应用于燃气轮机、飞机发动机等装备上,其性能直接影响装备的使用寿命。本文采用大气等离子喷涂工艺,在GH4169高温合金表面依次制备NiCoCrAlY金属粘结层和ZrO_2-8%wtY_2O_3陶瓷层。采用扫描电镜和残余应力测试仪对样品的表面形貌、孔隙率以及表面的残余应力进行测试。通过正交试验研究喷涂工艺参数对热障陶瓷层厚度、孔隙率以及残余应力的影响,实验结果表明,对陶瓷层厚度的影响因素从大到小顺序依次为氢气流量,电流,氩气流量,喷涂距离;在相同的制备时间内,陶瓷层的厚度随着电流与氢气流量的增大而明显的增大;随着氩气流量与喷涂距离的增大,陶瓷层的厚度随之减小;对陶瓷层孔隙率的影响因素从大到小顺序依次为喷涂距离,氢气流量,电流,氩气流量。当氩气流量从30 slpm/min增加到40 slpm/min时,氢气流量从5slpm/min增加到10 slpm/min时,孔隙率随之增大;当氩气流量从40 slpm/min增加到50 slpm/min时,氢气流量从10 slpm/min增加到15 slpm/min时,孔隙率随之减小。当喷涂距离从5 mm增加到10 mm时,孔隙率随之减小,而当喷涂距离从10 mm增加到15 mm时,孔隙率急剧升高,而随着电流的增大,孔隙率减小。电流、氢气流量以及氩气流量对涂层残余应力造成很大影响,随着电流以及氢气流量的增大,氩气流量的减小,涂层表面的残余应力急剧上升。     

Al2O3-40%TiO2陶瓷涂层残余应力的有限元分析

为分析大气等离子喷涂Al2O3-40%Ti O2复合陶瓷涂层在冷却过程中涂层崩裂的现象,本文采用有限元方法,研究了涂层内部残余应力分布情况,探讨了涂层厚度、孔隙、裂纹等因素对残余应力的影响。结果表明:基体与粘结层和粘结层与涂层的界面边缘处出现了应力集中区域,随着X尺寸(模型水平方向的距离)的增加,涂层及粘结层内部应力由压应力转变为拉应力;涂层厚度只对残余应力值有影响,对应力分布状态影响较小,随着涂层厚度的增加,X向(径向)应力逐渐增加,Y向(轴向)应力及剪切应力在界面边缘处急剧变化;大孔隙、纵向裂纹对涂层残余应力影响较大。有限元模拟分析较好的解释了涂层在冷却过程中涂层层状崩裂的现象。     

料浆烧结法制备铌基Y2O3涂层的组织及抗热震性能

为推动核工业乏燃料回收再利用,满足熔炼核金属用坩埚的多轮次有效服役的要求,本文采用料浆烧结工艺在Nb-5W-2Mo-1Zr(Nb521)合金表面制备一系列双层复合Y₂O₃涂层,添加微量Si、Mo作增强剂,表面均为纯Y₂O₃涂层。借助有限元模拟、X射线衍射仪、扫描电镜、能谱仪等手段分析涂层的组织及抗热震性能。结果表明：Nb/Y₂O₃涂层呈典型的层状结构,由不规则的粉末颗粒相互堆叠而成,基体区、扩散区、过渡层、纯Y₂O₃层结构分明;有限元模拟计算及实验结果均证明双层梯度涂层可改变应力分布并有效减缓热冲击时材料内部应力的产生,其中,70%Y₂O₃+22%Nb+6%Si+2%Mo(7022)涂层的最大主应力为163.2 MPa,相较单层Y₂O₃涂层(313.4 MPa)下降47.93%。60次热循环后,7022-Y₂     

激光加工参数对Al_2CoCrCuFeNiTi高熵合金涂层质量的影响

利用激光熔覆法制备Al2CoCrCuFeNiTi高熵合金涂层,研究激光加工参数对高熵合金涂层质量的影响。结果表明:当激光功率过小时,激光注入能量较少,涂层和基体不能形成良好的结合;当激光功率过大时,基体材料表面熔化过多,所得稀释率过大,造成涂层的性能下降。在保证涂层与基体结合良好的前提下,随扫描速度增大,显微组织变得细小均匀,耐蚀性变好。激光熔覆法制备Al2CoCrCuFeNiTi高熵合金涂层的最佳工艺参数为:激光功率P=2500W,扫描速度V=3mm/s,熔覆粉末厚度d=1.0mm,光斑直径D=4.0mm。     

硬质合金金刚石涂层的残余应力分析

采用有限元方法分析硬质合金金刚石涂层的热残余应力,采用轴对称二维几何模型和自由边界条件,考虑了涂层厚度及不同基体对应力场的影响。分析表明,在多晶金刚石涂层中存在压应力,在基体中出现了拉应力,这种应力结构分布对材料性能的影响是有利的。在明锐界面出现了大的剪切应力(415MPa),应力奇异场出现在明锐界面靠近自由边界处。涂层压应力随基体中钴含量的增加而增加,随涂层厚度的增加而减小。因此可以借助这两个因素来适当控制和调节材料中的应力场以得到性能优良的产品。     

Residual stresses in high-velocity oxy-fuel metallic coatings

X-ray based residual stress measurements were made on type 316 stainless steel and Fe₃Al coatings that were high-velocity oxy-fuel (HVOF) sprayed onto low-carbon and stainless steel substrates. Nominal coating thicknesses varied from 250 to 1500 μm. The effect of HVOF spray particle velocity on residual stress and deposition efficiency was assessed by preparing coatings at three different torch chamber pressures. The effect of substrate thickness on residual stress was determined by spraying coatings onto thick (6.4 mm) and thin (1.4 mm) substrates. Residual stresses were compressive for both coating materials and increased in magnitude with spray velocity. For coatings applied to thick substrates, near-surface residual stresses were essentially constant with increasing coating thickness. Differences in thermal expansion coefficient between low-carbon and stainless steels led to a 180 MPa difference in residual stress for Fe₃Al coatings. Deposition efficiency for both materials is maximized at an intermediate (∼600 m/s) velocity. Considerations for X-ray measurement of residual stresses in HVOF coatings are also presented.     

W-Cu梯度热沉材料的成分与结构设计

采用数值模拟的方法，分析三层梯度结构W-Cu材料各层成分与厚度对制备过程中所产生的热应力的影响；对于四层、五层结构的W-Cu梯度材料，分析了各层等厚结构时的成分分布与热应力的关系。结果表明：三层梯度结构W-Cu材料的各层厚度发生变化时，中间过渡层的最佳成分不同；均厚的三层结构应力缓和效果最好；随着梯度结构层数的增加，应力缓和效果增强，但增强的趋势由明显变为平缓。     

超音速火焰喷涂NiCrAlY-Y2O3金属陶瓷涂层抗结瘤性能研究

以NiCrAlY和Y2O3粉末为原料通过两种工艺分别制备出团聚烧结和混合型NiCrAlY-Y2O3金属陶瓷粉末,研究了该两种用于热喷涂给料粉末的颗粒形貌及粉末性能.使用该两种粉末及一种商用CoCrAlY-Y2O3通过超音速火焰喷涂(HVOF)在不锈钢基体上制备厚度约为100um的涂层。研究了涂层的孔隙率及抗热冲击能,将四种热喷涂涂层在高温下与MnO,Fe3O4及含锰碳钢进行接触反应后对它们的抗结瘤性能进行了相对的静态比较,结果表明,团聚烧结NiCrAlY-Y2O3涂层具有较好的抗锰氧化物的结瘤,而抗铁氧化物结瘤性能差。团聚烧结金属陶瓷涂层比混合型陶瓷涂层具有更好的抗氧化物结瘤性能。     

高炉铸钢冷却壁最佳结构的传热学分析

采用通用有限元软件ANSYS计算了300 m3高炉铸钢冷却壁的温度场和应力场,数值分析铸钢冷却壁冷却水管内径、间距、壁体厚度、镶砖厚度以及冷却水流速对冷却壁热面最高温度和热应力的影响.导出了高炉铸钢冷却壁的初步优化结果:冷却水管间距200 mm,水管内径20 mm,壁体厚度为180 mm,镶砖厚度为70 mm,与之相匹配的冷却水流速为2.0 m/s.     

自蔓延离心法制备Fe3Al/W2C复合涂层

以氧化铁、铝粉、三氧化钨、石墨为原料,采用自蔓延离心法制备了具有内生强化W2C相的Fe3Al涂层。采用x射线衍射仪分析涂层相物相,采用扫描电镜观察涂层组织及磨损后形貌,利用盘销式试验机对比检测了Fe3Al和Fe3Al/W2C涂层的干摩擦性能。结果表明,反应原料中的铝与石墨比例为2:1时,涂层中的主要物相为W2C和Fe3Al。Fe3Al/W2C涂层的相对耐磨性是Fe3Al涂层的1.6倍。     

热障涂层表面粗糙度对涂层高温性能的影响

通过对热障涂层厚度与其表面粗糙度关系的研究,初步探讨了涂层表面粗糙度对其高温氧化性能、隔热性能和热循环性能的影响,研究表明涂层的表面粗糙度随着热障涂层厚度的增加而增大,并且随着涂层粗糙度的增加,涂层的热循环寿命先增加后减小,而其在高温氧化过程的初期,涂层重量增加迅速,氧化20h后重量增加减缓。     

细观界面形貌与宏观构型对热障涂层界面应力的交互影响研究

热障涂层中陶瓷层界面处的应力应变场对其破坏起到至关重要的作用,但之前的研究并未考虑热障涂层宏观构型与细观界面的交互影响。本文建立了在轴向和周向具有不同波长的 3D 涂层界面有限元模型,分析了轴向波长和周向波长对涂层界面应力的影响规律,获得了轴向波长和周向波长对涂层界面应力综合影响的关系式。研究结果表明,减小轴向波长会增大涂层界面破坏的风险,增大周向波长能够同时减小周向和轴向的最大应力,有利于降低涂层界面破坏的风险;轴向波长为 0.051 mm,周向波长为 0.030 mm 时,周向最大应力最小,为 243.1MPa;周向波长和轴向波长均大于 0.03 mm 时,周向与轴向应力差值小于 40 MPa,界面应力分布的均匀性较好。本文研究为涂层制备时的界面优化设计提供了理论基础。     

Effects of CeO2 nanoparticles on microstructure and properties of laser cladded NiCoCrAlY coatings

CeO2 nanoparticles(nano-CeO2p) were added into laser cladded NiCoCrAlY coatings on Ni-based superalloy substrate to improve the microstructure and properties.Scanning electron microscope(SEM),X-ray diffractometer(XRD),micro-hardness tester,and heat treatment furnace were employed to investigate their morphologies,phases,micro-hardness and thermal shock resistance,compared with the coating without nanoparticles added.The results showed that the microstructure and properties of the coatings with the addition ...