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.     

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。     

不锈钢表面渗铝层/ZrO2复合涂层残余应力模拟

目的 研究不同制备工艺参数对渗铝层/ZrO2复合涂层残余应力的影响。方法 采用ANSYS 18.1软件中的Workbench模块,采用热力耦合的方法,对沉积过程中不同制备工艺参数下产生的残余应力进行数值模拟。结果 保温时间由2 h增长至5 h,等效应力由895 MPa减小至862 MPa。沉积温度由400 ℃升高至700 ℃,等效应力由541 MPa增加至999 MPa。ZrO2层厚度从2 μm增加至14 μm,等效应力由925 MPa减小至835 MPa,但是渗铝层-氧化锆层界面的剪切应力由59 MPa增加至101 MPa。基体厚度的变化对基体及渗铝层内的热应力影响不大,但对ZrO2层有较大的影响,基体厚度由0.3 mm增加至0.8 mm,等效应力由745 MPa增加至850 MPa。渗铝层使等效应力由877 MPa减小至745 MPa,径向应力由-1235 MPa减小至-1072 MPa,剪切应力由105 MPa降低到89 MPa,轴向应力由-375 MPa减小至-312 MPa,其中ZrO2层中的轴向应力改变明显,由-128 MPa减小至-39 MPa。结论 增加渗铝保温时间,整个复合涂层的应力降低。沉积温度与室温相差越大,热匹配失衡越严重。ZrO2层厚度增加,基体和渗铝层的应力均有升高,ZrO2层内部除剪切应力稍增加外,其余应力均减小。基体厚度增加,ZrO2层等效应力和径向应力均明显增大,因此应降低基体的厚度。渗铝层起到很好的缓冲作用。     

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。     

Sm2Ce2O7/YSZ功能梯度热障涂层的残余热应力

目的研究基体材质、厚度及半径对Sm_2Ce_2O_7/YSZ功能梯度热障涂层残余热应力的影响。方法采用ANSYS10.0软件中Plane13单元,通过直接耦合计算,系统分析了不同基体条件下,Sm_2Ce_2O_7/YSZ功能梯度热障涂层的残余热应力。结果在Sm_2Ce_2O_7/YSZ功能梯度热障涂层中存在较大的残余热应力。涂层残余热应力随时间的增加而逐渐降低,900 s后基本维持稳定。涂层径向热应力从中心处到试样边缘逐渐递减。2Cr13对应的涂层应力最小。金属基体厚度在2~10 mm范围内,径向热应力虽然增加,但变化幅度不大。当基体厚度为20 mm时,涂层径向热应力则显著增加。金属基体半径对涂层的最大剪切应力并不产生影响,轴向热应力随基体半径的增加而逐渐降低,径向热应力随半径增加到一定值后趋于稳定。结论 2Cr13钢基体对应的涂层具有最小热应力,基体厚度为10 mm时比较合适,基体半径对涂层轴向热应力的影响最明显。     

W/Cu梯度材料热应力分析及结构优化设计

运用ANSYS12.0软件对W/Cu梯度材料进行热应力模拟分析,并对结构进行优化设计。结果表明,随着成分分布指数(p)的增加,最大热应力先减小后增大;在p=1.3,热流密度为30 MW/m2时,最大热应力值最小为180 MPa,与非梯度材料相比最大等效热应力降低79%;最优化的梯度层厚度大于3 mm,梯度层数4~6层,钨板的厚度1~3 mm。     

ZrO2-NiCr/Al梯度涂层的抗热震性能研究

为了研究ZrO2-NiCr／Al梯度涂层的抗热震性能，设计了4种不同的涂层方案，采用多层平板模型计算了各种方案的涂层中温度和热应力的分布。计算结果表明与其它的涂层方案相比，梯度涂层方案中应力的变化幅度较小，分布也比较缓和。还采用等离子喷涂方法制备了计算模型中设计的4种涂层方案的试样，并对试样进行了抗热震性能试验。试验和计算得到的结果是一致的，都表明采用梯度涂层方案时有较好的抗热震性能。     

W/ODS铁素体钢功能梯度材料热应力分析

目的 研究W/ODS铁素体钢功能梯度材料（W/ODS FGM）服役条件下的热应力,期望获得较合理的W/ODS FGM材料设计,以达到热应力优化的效果。方法 采用有限元分析方法,结合偏滤器的服役条件,通过改变W/ODS FGM材料梯度层成分分布指数p、梯度层厚度HFGM以及金属W涂层厚度HW,探索各参量的变化对热应力大小及分布的影响。结果 梯度层成分分布指数p值增大,梯度层的应力值会随之增大,而W层的热应力先减小后增大。当p=0.5时,最大热应力出现在梯度层的中段;当p=1、2时,最大应力由FGM层中段转移至FGM/W层的交界处。梯度层厚度HFGM增大,涂层的热应力会大幅提高。梯度层厚度较厚或较薄都会导致热应力在FGM/W交界处集中。W涂层厚度HW增大,会导致W/FGM界面的热应力增大,增添了涂层自身的不稳定性。结论 梯度层成分分布指数和厚度的增大均会引起涂层热应力的增大,并导致最大热应力区的转移。W涂层的增厚会使结构的热应力增大,且最大应力值位于W/FGM界面,不利于涂层寿命的提高。HW=HODS=1 mm、HFGM=8 mm、p=0.5和HW=HODS=1 mm、HFGM=4 mm、p=1的最大热应力区位于梯度层中段,且后者的最大应力值小于前者,故HW=HODS=1 mm、HFGM=4 mm、p=1的结构较优。     

石墨和C/C复合材料表面ZrB2-SiC陶瓷涂层的研究进展

C/C复合材料具有优异的高温力学性能,是航空航天领域最具发展前景的结构材料之一,但在高温含氧环境中的氧化问题严重地限制了其实际应用。涂层技术是提升基体抗氧化能力的有效手段,因ZrB_2-SiC陶瓷涂层具有优异的抗氧化、抗烧蚀、抗热震等性能,非常适合作为C/C复合材料的高温防护涂层。首先,介绍了ZrB_2-SiC陶瓷涂层在氧化和烧蚀过程中组织结构的演变规律,阐明了该涂层的高温防护机理;然后,综述了该涂层的主要制备方法(包埋法、CVD、等离子喷涂)及每种方法的优点与不足,并对不同方法所制备涂层的抗氧化性和抗烧蚀性进行了比较;之后,针对该涂层研究和应用中存在的问题,如涂层致密性差、元素分布不均匀、应用温度范围窄、与基体热匹配性差等,从粉体改性和掺杂改性两方面总结了该涂层的改性研究现状,重点阐述了对ZrB_2-SiC粉末进行喷雾造粒和感应等离子球化处理对于提升等离子喷涂涂层性能的重要意义;最后,从涂层制备、涂层结构设计、涂层改性、涂层性能测试等方面,指出了该涂层体系存在的主要问题和未来的发展方向。     

基于不同基体材质的Sm2Zr2O7/YSZ热障复合涂层残余热应力的数值仿真

采用有限元分析软件ANSYS对1Cr13Ni9Ti、Ni、45钢和2Cr13基体等离子喷涂Sm2Zr2O7/YSZ热障双层涂层系统的残余热应力分布进行了数值仿真.结果表明:复合涂层系统表面层及界面存在较大的径向残余热应力,且径向、轴向及剪切应力梯度随金属基体的热膨胀系数增加而增大;涂层系统的轴向应力及剪切应力在径向距离距中心处约2/3的范围内基本不变,呈现出与基体材质的无关性.     

W／Cu功能梯度材料的热应力优化设计

运用有限元软件对W／Cu梯度材料进行了热应力优化设计，结果表明，在30MW／m^2的表面热流负荷下，经过优化设计的W／Cu功能梯度材料有较好的热应力缓和效果，与非梯度材料相比等效热应力降低了62．3％，表面工作温度下降了50℃；与单纯金属W相比，W／Cu梯度材料的表面工作温度较之大幅度降低445℃。     

PSZ／Mo功能梯度材料的有限元设计

利用有限元分析的方法，依据拉应力和比应力最小原则对PSZ／Mo功能梯度材料进行了优化设计，确定了FGM的最佳形状分布因子、层数和每一层的厚度。并对最优成分分布FGM在稳态隔热状态下所产生的温度场和热应力进行了计算，得出进行PSZ／Mo功能梯度材料优化设计所需考虑的主要因素。     

在 ANSYS中模拟功能梯度材料的方法研究

介绍一种在ANSYS软件中模拟功能梯度材料的方法。对于功能梯度材料板,考虑到其弹性模量E和泊松比v都是沿长度方向变化的函数。可以将板用三角形单元离散化,求出每个三角形单元的等效模量和泊松比,再用命令流的方法赋予每个单元,则可以实现在ANSYS中对功能梯度材料板的模拟。     

功能梯度薄膜的研究进展

功能梯度薄膜的研究具有多学科交叉的特点，是一个极具潜力的研究方向，应用前景广阔。本文对功能梯度薄膜的特点、制备、应用和研究现状进行了分析和评述，并对其广阔的应用前景进行了展望。     

Al/SiC功能梯度材料(FGM)涂层板的安定性分析

目的对热机械载荷环境下的金属/陶瓷功能梯度材料涂层板进行安定性分析,并获得其安定载荷区域,为其工程安全使用提供一定的理论依据。方法在已有工作基础上,采用分段指数函数模型描述梯度涂层板中的材料热物参数空间梯度分布,基于静力安定理论建立梯度涂层板弹性区域的理论分析模型和安定区域的理论分析模型,通过编程数值计算,结合自平衡的残余应力场和板内应力分布情况,分析了Al/SiC功能梯度材料涂层板的安定区域。结果计算分析出Al/SiC功能梯度材料涂层板弹性区域边界和安定区域边界,其中安定区域边界由两部分组成,一部分为Shakedown-Reversed Plasticity boundary(S-RP),另一部分为Shakedown-IncrementalCollapseboundary(S-IC),并得到处于安定情况下所能承受的极限热载增量为(35)q=154 4.0℃,单位厚度下所能承受的极限机械载荷为=6167.3 N/mmxP。涂层板上表面热物理性能最弱,最容易发生塑性循环变形破坏。结论根据安定分析结果,可预先选择功能梯度涂层板所能使用的热机械环境,为涂层板的安全使用提供可靠的理论依据。另外,为得到更佳的安定区域和适应更苛刻的热机械环境,安定分析结果可对涂层板制备优化设计提供较好的参考。     

面向等离子体W／Cu FGM的抗热冲击性能

采用循环水淬和脉冲激光冲击法并结合有限元计算考察和分析了用超高压梯度烧结方法制备的W／Cu FGM的抗热震性能。结果表明，W／Cu FGM经受50次800℃～25℃水淬冲击和100MW／m^2以上的激光循环冲击，没有出现界面破坏现象；但随着热冲击次数及冲击能量密度的增加，金属W表面产生了裂纹、晶间断裂以及出现液相及蒸发现象。与非梯度材料相比，W／Cu FGM有优异的抗热冲击性能，大致可以经受100MW／m^2 350次以上的激光循环冲击。     

FEA of Residual Stress During HVOF Thermal Spraying

Due to the recent advances in thermal spraying technology, considerable research emphasis has been placed on the development of models capable of predicting deposition mechanisms at various stages during the process. In order to gain a deeper knowledge of the mechanisms involved in thermal spraying, it is necessary to isolate the factors affecting these constitutive properties (e.g., residual stress generation) and in doing so quantify the effect of the individual factors. Finite element analysis (FEA) is used in the present research to predict the residual stress generated in a WC-Co deposit produced via the HVOF process. The model is compared to an analytical technique and validated experimentally, the result of which provides a thermo-mechanical modeling procedure with an accuracy greater than 80% of that found experimentally. Combining FEA techniques with analytical and experimental results will enhance the understanding of residual stress in thermal spray techniques.