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.     

WC-17Co粉末密度对涂层力学性能及残余应力的影响

选取3种不同密度的WC-17Co粉末,采用超音速火焰喷涂法制备厚度为0.3 mm的涂层。通过扫描电镜观察分析了3种涂层的孔隙率,采用压痕法测量了涂层的努氏硬度与弹性模量,同时采用剥层法对不同密度粉末制备的WC-17Co涂层残余应力进行了测试与计算。结果表明,涂层孔隙率随WC-17Co粉末密度的增大而增大,涂层的努氏硬度、弹性模量均随WC-17Co粉末密度的增大而减小。WC-17Co涂层内部存在的残余应力表现为压应力,且应力值随涂层厚度的增大而增加,在临近涂层-基体界面处迅速减小。涂层残余压应力最大值随WC-17Co粉末密度的增大而增加：粉末密度为11.52、12.86、13.49 g·cm^-3所制备的涂层残余应力最大值分别为-798、 -986和-1120 MPa。     

Q235钢基体表面微晶玻璃功能梯度涂层的残余应力分析

运用ANSYS有限元软件对Q235钢/微晶玻璃梯度涂层复合材料在制备过程中产生的残余应力进行了数值模拟。建立了该复合材料的有限元分析模型,探讨了不同层数、层厚对该复合材料体系残余应力分布的影响。结果表明：在基体与梯度涂层的界面边缘处存在较大的应力集中;随着层数或层厚的增加,涂层表面最大径向残余压应力增大;梯度层数和涂层厚度对界面处的残余应力都有明显影响。此模拟分析结果可以为该梯度涂层复合材料的设计和制备提供理论依据和参考。     

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。     

界面粗糙度对双层热障涂层残余应力影响的数值模拟

运用ANSYS有限元分析软件模拟了双层热障涂层（ZrO2/NiCrAIY）在制备过程中的温度场，在此基础上，进行热-应力耦合计算分析试样的残余应力，重点计算了不同基体表面粗糙度条件下的残余应力分布。结果表明：试样的温度分布呈不均匀变化，与实际喷涂过程相近；双层热障涂层的最大残余应力集中在粗糙界面的凸起与凹坑部分；涂层内的等效残余应力随表面粗糙度的增大整体呈增大趋势，在Rα=30μm附近时，等效残余应力较小，同时压应力较小。     

ZrO2／NiCoCrAlY功能梯度涂层残余应力分析

采用有限元方法研究了等离子ZrO2／NiCoCrAlY功能梯度涂层形成过程中的热力学行为以及残余应力的分布。结果表明，由于涂层与基体的热膨胀系数不匹配等原因，在界面等区域存在严重的应力集中。涂层与基体厚度比、中间层以及喷涂过程的冷却速率对残余应力水平有很大影响。涂层内部关键区域的残余应力水平，随着涂层厚度增加而增加；50％ZrO2 50％NiCoCrAlY中间层对降低涂层内部的应力水平是有利的，但并不能消除涂层内部的应力集中；对于瞬态分析而言，涂层内部的应力随着冷却速度的增加而增加。     

ZrO2/NiCoCrAIY功能梯度涂层残余应力分析

采用有限元方法研究了等离子ZrO2/NiCoCrAlY功能梯度涂层形成过程中的热力学行为以及残余应力的分布.结果表明,由于涂层与基体的热膨胀系数不匹配等原因,在界面等区域存在严重的应力集中.涂层与基体厚度比、中间层以及喷涂过程的冷却速率对残余应力水平有很大影响.涂层内部关键区域的残余应力水平,随着涂层厚度增加而增加;50%ZrO2+50%NiCoCrAlY中间层对降低涂层内部的应力水平是有利的,但并不能消除涂层内部的应力集中;对于瞬态分析而言,涂层内部的应力随着冷却速度的增加而增加.     

Ti-6Al-4V基体上等离子喷涂羟基磷灰石涂层的热-力耦合和残余应力

基于热弹塑性理论建立了等离子喷涂羟基磷灰石涂层的热-力耦合模型。一方面,通过引入变形对温度的影响项对经典的Fourier瞬态热传导方程进行了修正,另一方面,在考虑了温度软化效应、应变硬化效应、和应变率强化效应后,采用适用于高温、高应变率条件下的Johnson-Cook模型作为本构方程。基于上述耦合模型,采用有限元方法对涂层内的残余应力场进行了模拟,同时还模拟了基体预热温度以及涂层厚度对残余应力的影响。为了验证数值模拟的可靠性,还采用“材料去除”的实验技术测试了涂层在界面处的残余应力。结果表明：在界面边缘有明显的应力集中;适当提高基体的预热温度有利于减小残余应力;涂层的残余应力随厚度的增加而增大。     

热障涂层界面形貌尺寸与残余应力的关系

利用ANSYS有限元分析软件对热障涂层中的残余应力进行了模拟分析，得出了界面形貌尺寸与残余应力之间的关系。模拟结果表明，热障涂层中的残余应力是界面形貌尺寸的函数。这些结论为提高涂层界面结合强度的热障涂层界面造形提供了理论支持，也为热障涂层界面的优化提供了指导意见。     

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。     

钢基表面热喷镍冷却过程中热力耦合场的三维有限元分析

以某钢基表面热喷镍工艺为例,对凝固冷却过程进行了简化和合理假设,基于ANSYS平台,建立了热力耦合场的三维有限元模型并进行了求解,获得了应力场和温度场分布规律,分析了涂层上某些关键点的温度和应力随时间变化的情况,讨论了涂层厚度对涂层/基体界面应力的影响.结果表明,凝固冷却时,涂层温度场沿中心向外边缘逐渐降低,随时间延长呈下降趋势;基体温度场随时间的变化呈先增加后降低趋势;涂层主要承受残余压应力,随涂层厚度增加,残余应力呈增大趋势.     

Influence of ceramic thickness on residual stress and bonding strength for plasma sprayed duplex thermal barrier coating on aluminum alloy

NiCoCrAlY/8wt.%Y₂O₃–ZrO₂ coating was plasma sprayed on aluminum alloy to evaluate the effect of ceramic thickness on residual stress and bonding strength. A new stress calculation method based on Stoney equation and substrate-removal technique was proposed. Stress in both bond coat and ceramic was studied. With the increase of ceramic thickness, the residual stress in both layers was firstly compressive then turned tensile. The large thermal expansion coefficient of the substrate played an important role in residual stress formation when the ceramic was thin. However, the intrinsic deposition stress took a dominant position when the ceramic coating turned thicker. The bonding strength decreased and the location of the fractured surface moved toward the ceramic surface. The moving of the surface was mainly resulted from the variation of stress gradient and the weakness of high porosity zone near the bond coat–ceramic interface.     

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。     

预氧化处理对热障涂层热冲击性能及残余应力的影响

采用等离子喷涂工艺在镍基高温合金基体上制备了热障涂层(底层为MCrAlY,面层为ZrO2+ 8％ Y2O3),通过控制高真空烧结炉的氧分压对涂层进行预氧化处理,分析了预氧化处理对热障涂层热冲击性能和涂层应力状态的影响.结果表明,预氧化处理提高了粘接层的致密度,涂层组织变得均质化,降低了粘结层由于凸起尖角产生复杂应力的概率;有效干预热生长氧化物(TGO)的生长过程,降低了TGO的生长速度;热障涂层残余应力随热冲击次数的增加而增大,但经过预氧化处理的涂层应力增长幅度较缓慢,经过400次热冲击后的残余应力为492.5 MPa,未经过预氧化处理涂层热冲击350次后应力值为650.1 MPa.     

超音速等离子喷涂FeCrBSi涂层组织和残余应力分析

采用超音速等离子喷涂技术制备了FeCrBSi涂层,利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和纳米压痕仪等研究了涂层的微观组织和力学性能。采用X射线应力仪对不同厚度及不同温度退火后涂层的表面残余应力进行测试。结果表明涂层表面的残余应力为拉应力,且随着涂层厚度的增加而增加;对试样进行退火处理可以有效地缓和涂层表面的残余应力,随着温度的升高涂层表面的残余应力不断降低,到260℃左右变为压应力;压应力值随着退火温度的升高而变大,但当温度升高到大约400℃以上时,保持在80 MPa左右。