热障涂层HCPEB改性过程中的应力研究

通过有限元分析软件Abaqus,采用三维模型,对热障涂层表面强流脉冲电子束改性过程进行了数值模拟,分析了电子束轰击过程温度变化以及涂层系统内部应力的分布情况。结果表明,随着外界能量的增加,涂层温度随着涂层厚度的增加而减小;当外界能量消失,冷却过程中,由于涂层表面和周围的热辐射和热扩散作用,陶瓷层表面最先冷却,此时陶瓷层内部温度略微升高,之后陶瓷层内部热能通过陶瓷层表面进行释放,最后整个涂层冷却至室温,温度随时间变化率高达106~107K/s。冷却至室温时,应力随陶瓷层厚度的增加呈先减小后增加的趋势,而在涂层表面径向应力先减小后增加,达到0.5 MPa后,应力开始减小至稳态值。     

喷涂

后期冷却是导致热喷涂层产生残余应力的主要原因。很少考虑喷射颗粒在凝固后冷却到基体温度这个初始冷却问题。提出了两类冷却模型以预测基体温度对残余应力的影响。考虑了三个连续的机理:喷射颗粒凝固后收缩,在喷涂期间和喷涂后涂层的变形。当涂层的膨胀系数比基体小时,高的基体温度将导致压应力;反之,则产生     

热喷涂涂层和基体中残余应力预报与控制研究

分析研究了热喷涂涂层和基体中残余应力产生的原因并发展建立了相应的理论模型.依据该模型,不但可以计算骤冷过程和冷却过程在涂层/基体结构内引发的残余应力,而且首次分析了沉积过程中,基体/涂层因喷射冲击(即喷涂粒子高速撞击基体及形成的涂层表面)而产生的残余应力,以及因基体/涂层热膨胀系数不匹配产生的残余应力.理论计算结果与实验结果基本吻合.通过理论计算,可以预报涂层/基体中残余应力的大小,并根据需要控制涂层/基体中残余应力的分布.对即将进行的热喷涂工艺具有一定的指导意义.     

热障涂层HCPEB改性过程中的应力研究（英文）

通过有限元分析软件Abaqus,采用三维模型,对热障涂层表面强流脉冲电子束改性过程进行了数值模拟,分析了电子束轰击过程温度变化以及涂层系统内部应力的分布情况。计算结果表明,随着外界能量的增加,涂层温度随着涂层厚度的增加而降低;当外界能量消失时,冷却过程中,由于涂层表面和周围的热辐射和热扩散作用,陶瓷层表面最先冷却,此时陶瓷层内部温度略微升高,之后陶瓷层内部热能通过陶瓷层表面进行释放,最后整个涂层冷却到室温,温度随时间变化率高达106~107 K/s。冷却至室温时,应力随着陶瓷层厚度的增加呈现先减小后增大的趋势,而在涂层表面径向应力先减小后增大,达到0.5MPa后,应力开始减小至稳态值。     

梯度纳米硬质涂层内部应力的有限元分析

利用有限元分析法模拟计算硬质涂层Ti、TiN、TiCN和TiAlN在不同情况下所受应力状态分析。结果表明:涂层上所加载的应力越大,涂层内部残余应力越大,造成的涂层损坏也越严重;在同种基体合金情况下TiCN涂层比TiN涂层相对抗压性能较好;同一种结构硬质涂层镀在高速钢基体上较镀在硬质合金基体上耐热性较好;涂层厚度的增加导致涂层所受残余应力减小,增了基体的抗静载压力,提高了基体的抗压性;同种涂层在不同温度下工作时,温度越高,所受的残余应力越大。     

SiC纤维增强钛基复合材料残余应力的数值模拟

采用有限元模拟方法研究了SiC纤维和SiC/Ti-6Al-4V复合材料的制备过程,用正交实验分析技术计算了不同参数对SiC纤维残余应力和复合材料致密度及残余应力的影响规律。结果表明,对于SiC纤维的制备过程,降低沉积温度和C涂层厚度则WC反应层中的轴向热应力降低。对于复合材料的热等静压过程,热等静压温度和包套厚度对复合材料致密度的影响较大,热等静压时间和纤维体积分数对致密度的影响较小,随着热等静压温度的升高和包套厚度的降低复合材料的致密度提高;适当提高热等静压温度和纤维体积分数、降低包套厚度能大大增大基体的径向残余应力和适当提高热等静压温度和包套厚度、降低热等静压时间,能大大降低基体的环向残余应力。建议热等静压温度为950-960℃,热等静压时间为9 h,包套的厚度为70-80 mm,纤维的体积分数为45%-50%。SiC纤维增强钛基复合材料残余应力模拟结果与用拉曼光谱法测试的数值有一定的不同,但是其变化趋势相近。     

脉冲偏压对(Ti,Al)N涂层应力分布及其力学性能的影响

利用电弧离子镀技术在不锈钢基体上制备了(Ti,Al)N涂层,研究了脉冲偏压对涂层残余应力沿层深分布及相关力学性能的影响。结果表明,(Ti,Al)N涂层残余应力沿层深呈"钟罩型"分布,且随脉冲偏压的增大应力值明显增加;通过对涂层生长结构及微观成分分析,初步探讨了应力分布机理。随脉冲偏压的增加,涂层硬度会显著增加,而膜/基结合力则先增加后减小;采用改变脉冲偏压的工艺制备(Ti,Al)N涂层,可有效调整涂层残余应力沿层深分布趋势,改善其力学性能。     

涂层基体条件对梯度涂层残余应力影响研究

采用有限元法，对结构一定的Al/Ni-ZrO2梯度涂层在基体条件改变时涂层的残余应力进行了分析，结果表明，基体材料的热膨胀系数对涂层的残余应力有显著的影响，对于基体为圆柱形的涂层，其基体与涂层界面的残余应力梯度，最大轴向拉应力均随热膨胀系数的增大而线性增大，表面纯陶瓷层与次层界面残余应力梯度则随之减小，增大基体的直径和厚度，可缓和涂层残余应力，并在基体直径为36mm,厚度为20mm时各残余应力基本稳定。     

热喷涂零件界面裂纹扩展行为影响因素研究

热喷涂技术在提高构件寿命等方面得到了广泛应用,但界面裂纹的存在对零件寿命的影响尤其明显。本工作利用有限元法研究了残余应力、涂层厚度以及初始裂纹长度等因素对界面裂纹扩展的影响。研究结果表明:残余压应力的增加会导致临界载荷的降低,促使裂纹尖端应力相角增大,更易萌生界面裂纹;而残余拉应力的增加会导致临界载荷的升高,促使裂纹尖端应力相角降低,更易萌生垂直于界面的裂纹。此外,厚涂层易产生平行于界面的裂纹,以剪切失效为主导;薄涂层易产生垂直于界面的裂纹,以拉伸失效为主导。初始裂纹长度越长越易出现涂层与基体的剥离,导致涂层的失效。通过三点弯曲实验对不同初始长度的裂纹进行验证,实验结果与有限元模拟结果相近,验证了有限元模拟的正确性,为精确控制热喷涂零件界面的裂纹扩展提供了科学依据和理论基础。     

等离子喷涂Sm2Zr2O7/8YSZ热障涂层热冲击应力的数值模拟

热障涂层的热冲击应力对其热冲击性能有重要影响,有关其热冲击应力的研究鲜见报道.采用有限单元法研究了基体材质、厚度对等离子喷涂Sm2Zr2O7/8YSZ热障涂层水淬热冲击应力的影响,并与8YSZ涂层比较.结果表明:涂层内存在较大径向冲击热应力,其值随基体热膨胀系数增加而增大;随基体厚度增加,径向应力逐渐增加,厚度超过25 mm后对径向应力无影响;剪切压应力的绝对值随基体厚度增加而增大,基体厚度超过20mm后趋于稳定;基体厚度对轴向应力无影响;该涂层的抗热冲击性能优于传统8YSZ涂层.     

渗锌碳钢在天然海水中的腐蚀行为

碳钢渗锌后耐蚀性提高.采用固体粉末包埋对20碳钢进行热扩散粉末渗锌,测试了渗锌层的硬度、形貌、成分及其在20,40,60℃天然海水中的电化学腐蚀行为.结果表明:碳钢渗锌层的硬度在313.7～347.5 HV,厚度在77.1～81.2μm,属于第4等级;渗锌层与碳钢基体结合紧密;随渗锌层厚度增加,Fe含量逐渐降低,Zn含...     

镁合金磷化处理对化学镀镍层性能的影响

为了有利于环保,采用磷化工艺对AZ31B镁合金进行化学镀镍前处理.采用直观法、扫描电子显微镜和阴极极化曲线法对磷化膜及其化学镀镍层进行了分析.结果表明:AZ31B镁合金表面经磷化处理后得到了良好的化学镀镍层;AZ31B镁合金化学镀镍层的耐蚀性随磷化时间的延长先增加后减小,当磷化时间为75 s时,化学镀镍层的腐蚀电势比直...     

等离子喷涂ZrC基涂层逐道逐层沉积残余应力模拟与实验验证

采用商用ANSYS14.5软件, 依据复合梁增层力学模型, 采用逐道逐层累积模型模拟了C/C复合材料表面等离子喷涂ZrC基涂层沉积残余应力的特征, 分析了SiC过渡层、第二相(SiC, MoSi₂)和涂层厚度对ZrC基涂层残余应力的影响, 并进行了实验验证。结果表明, SiC过渡层有效缓解了涂层与基体的热失配应力。涂层体系的应力随着涂层厚度的增加逐渐减小, 符合应力松弛和叠加规律。在涂层内部的径向应力以拉应力为主, 基体中主要为压应力, 且在界面边缘存在压应力集中的极限区域, 易使涂层产生裂纹并沿界面扩展。该模拟采用逐道逐层累积的方法更逼近实际喷涂过程, 能更准确预测涂层的残余应力。     

Aluminizing nickel foam by a slurry coating process

A simple, one-step slurry coating technique was used to aluminize open cell nickel metal foam at low temperature and short hold-down time. Three slurries of different composition, heat-treated at 650 °C for 2 h, were used to investigate the possibility of developing an aluminide coating on a commercially produced Ni foam. In all cases a dense, well-adhered to the Ni substrate aluminide coating of several μm thickness was produced. The thickness and aluminide phase and composition (NiAl and/or Ni₃Al) of the coating strongly depend on Al content and the mix of activators in the slurry.     

TGO对热障涂层失效的作用分析

热生长氧化物(TGO)的形成与长大是热障涂层失效的根本原因。先在IC10高温合金基体上超音速火焰喷涂(HVOF)NiCoCrAlTaY粘结层(BC层),再等离子喷涂二元稀土氧化物稳定氧化锆Sc2O3-Y2O3-ZrO2,喷涂样在1 100℃恒温氧化,利用扫描电镜(SEM)、能谱仪对断面形貌、成分进行分析,讨论了TGO的形成机理及其与热障涂层失效的关系。结果表明:随着恒温氧化时间增加,TGO层底部的Al含量下降,上部、中间弥散颗粒及底部的Ni含量均增加,上部、中间弥散颗粒中Cr含量均减少;喷涂样氧化140 h后,TGO层由靠近陶瓷层的富(Cr,Al)2O3层、弥散其间的富Ni颗粒和靠近BC层的Al2O3层组成;TGO的生长速度先由Al与O2化学反应速度决定,接着受BC层金属元素扩散速度影响,最后由化学反应速度和扩散速度共同控制;减少TGO中的有害氧化物含量以降低涂层内的应力,可有效提高涂层的使用寿命。     

Geometry effects of substrate and coating layers on the thermal stress response of FGM structure

Summary Due to transient temperature change, the plane strain elastic-plastic problem for a functionally graded material (FGM) bonded to a homogeneous coating layer and a metal substrate is considered by the use of the finite element method (FEM). The substrate and the coating are assumed to be aluminum and partially stabilized zirconia, respectively. The FGM layer is a particulate composite of aluminum and partially stabilized zirconia with volume fractions continuously varying through the thickness. Generally in high temperature applications, the FGM system is sandwiched between a substrate layer and a coating layer. The coating layer increases the protection from heat but decreases the thermal shock resistance while the substrate layer increases the rigidity of the structure and decreases strength-related properties at high temperature. In order to compromise the thickness of both the coating and substrate layers, different values of the substrate and coating thickness are studied in order to evaluate their effects on the thermal stress response of the FGM structure. Since the main objective of the FGMs is using them in different applications with severe thermal loading conditions, the thermal stresses may be so high that some reinforcements may be fractured and/or debonded from the matrix giving a weakening effect instead of a reinforcing one. Hence, the behaviors of the reinforcements and the matrix are essential to be studied. In this regard, microscopic constitutive equations along with the temperature-dependent properties of the constituent materials are considered to enable us obtaining more realistic results of thermal stresses. Since the FGM structures are fabricated at high temperatures, thermal residual stresses are produced. In order to find out the importance of the consideration of the residual stresses arising from the fabrication process, the FGM structure with stress-free conditions is heated to the operating temperature, and its thermal stress response is compared with that one where the residual stresses are taken into account. Also, several functional forms of gradation of the constituents in the FGM layer are examined to reach the optimum profile giving the minimum stress level for the FGM structure under thermo-elasto-plastic behavior.     

热处理对Ni-P-A12O3化学复合镀层摩擦磨损性能的影响

热处理可显著提高镀层的硬度和耐磨性能。采用化学镀的方法在45钢表面制备了Ni-P-纳米A12O3复合镀层,并以不同温度对其热处理,研究了镀层热处理前后的物相、硬度和耐磨性能。结果表明：400℃热处理后,Ni-P-A12O3复合镀层达到稳态,稳定相是Ni＋Ni3P＋NiO＋A12O3;镀层的显微硬度随热处理温度的升高而先...     

退火处理对AZ31镁合金表面Ni-Mo-P镀层组织与耐腐蚀性能的影响

为了进一步提高镁合金表面Ni-Mo-P镀层的耐蚀性,采用0M、XRD和浸泡试验等方法,研究了退火处理对AZ31镁合金表面Ni-Mo-P镀层组织与腐蚀性能的影响。结果表明:AZ31镁合金阳极氧化-化学镀Ni-Mo-P镀层表面为“胞状”组织,随着退火温度的升高或退火时间的延长,AZ31镁合金阳极氧化-化学镀Ni-Mo-P镀层的胞状组织逐渐细化,但镀层厚度降低,同时,非晶态Ni-Mo-P镀层组织逐渐向晶态转变,350℃退火1.0h具有较高的非晶化程度,退火处理后的Ni-Mo-P镀层由Mg、MgO、Mg2SiO4、Ni和Ni3P组成;退火使AZ31镁合金阳极氧化-化学镀Ni-Mo-P镀层耐蚀性降低,350℃退火1.0 h镀层具有相对较好的耐蚀性,这与镀层的厚度和非晶化程度有关。     

倾斜薄壁增材过程中基板的热应力数值模拟

利用电弧增材制造技术加工倾斜薄壁时,循环热力效应下,熔覆层与基板结合处应力较为集中,易导致基板变形翘曲,严重影响零部件的成形。为了明确增材倾斜薄壁不同层间偏移量和不同基板厚度下基板的热应力演化,本文采用不锈钢焊丝在Q235基板上进行沉积试验,利用COMSOL建立有限元模型,分析基板横向温度梯度和等效应力的变化。结果表明,基板的横向温度梯度在熔覆层边缘达到最大值,在距离熔覆层中心超过5 mm后趋于最小值;随着层间偏移量的增大,基板的横向温度梯度最大值逐渐减小,但基板上的等效应力逐渐增大;随着基板厚度的增加,基板的横向温度梯度最大值逐渐减小,同一测量点的横向温度梯度和等效应力也随之减小。因此,在倾斜薄壁增材中,不同的层间偏移量主要影响基板上横向温度梯度的分布和熔覆层与基板结合处的等效应力,更大厚度的基板能够有效减小基板上的横向温度梯度,从而减小变形,这对于增材初期倾斜薄壁结构中基板的变形控制具有一定的参考意义。     

Effect of intermetallic growth rate on spontaneous whisker growth from a tin coating on copper

Intermetallic compound (IMC) growth at the interface between a Sn coating and a Cu substrate with or without a Ni underlayer and its related stress state was evaluated by real-time measurements using the flexure beam method. For the Sn coating without a Ni underlayer, pyramid-shaped IMC grains of Cu₆Sn₅ grew along the grain boundaries of Sn from the Cu substrate, especially at the triple grain boundary junctions and the IMC grains rapidly increased their volume during the initial 3 days, During this time, the IMC growth rate was 2.3 ??m³/day and the compressive stress in the Sn coating rapidly developed and became saturated at about ?11 MPa. In contrast, platelet IMC grains of Ni₃Sn₄ formed at the surface of the Ni underlayer and the IMCs grew at a rate of 1.0 ??m³/day for the Sn/Ni coating. In addition, the stress in the Sn coating with a Ni underlayer remained low, slightly tensile and no whiskers were formed on the Sn plating. Therefore, the IMC growth rate and shape are key factors that affect the mechanism of Sn whisker growth during room temperature storage.