热障涂层在多次热循环作用下残余应力的模拟

采用热弹塑性有限元方法,对热障涂层多次热循环降温过程中由于热梯度和材料参数不匹配而产生的残余应力进行了数值模拟,分析了平面和曲面的界面形貌对界面残余应力的影响.结果表明,在相同材料参数情况下,陶瓷层与粘接层的界面形状对残余应力及结构稳定状态有显著的影响,凹凸不平的界面将会使界面残余应力发生突变,不利于增强界面结合强度和涂层结构的热稳定性.该结果对分析涂层寿命及失效机制有指导意义.     

热障涂层抗氧化夹层界面残余应力分析

通过喷涂等工艺预制的Al2O3夹层能有效抑制热障涂层高温不规则氧化生长及其所导致的失效.但是,预制的Al2O3夹层又会导致其界面应力重新分布.针对热障涂层界面三维形貌特征,考虑陶瓷层(ZrO2层)、夹层(Al2O3层)、氧化层及粘结层,建立了三维四层球模型,并推导出相应的应力解析式.凹凸两种界面形貌下抗氧化夹层的算例分析表明,抗氧化夹层厚度对热障涂层界面残余应力分布规律有很大的影响.     

热障涂层粗糙表面弹塑性接触应力分析

含热障涂层的发动机零部件能有效提高抗热性能,但微接触作用下的部件涂层表面的应力分布规律及失效形式直接影响发动机可靠性。以热障涂层与榫头接触作用为背景,将其抽象为含规则粗糙峰的刚性表面与热障涂层微接触模式,利用弹塑性接触有限元方法分析涂层表面下的压力及应力分布,研究压入深度、涂层厚度、弹性模量和屈服强度对于涂层压力及残余应力分布的影响。     

含抗氧化夹层热障涂层界面应力特性的研究

通过喷涂等工艺技术,在热障涂层粘结层和陶瓷层之间预制Al2O3夹层,能有效抑制热障涂层高温不规则氧化生长及其所导致的失效.但是,预制的Al2O3夹层又会导致热障涂层界面应力场重新分布.文中针对热障涂层界面三维形貌特征,利用弹性理论中的空心球模型,考虑陶瓷层(ZrO2层)、夹层(Al2O3层)、氧化层(thermally grown oxide, TGO)及粘结层(bondcoat, BC),建立三维四层球模型的理论分析,并推演出相应的应力解析式.文中通过凹凸两种界面形貌下抗氧化夹层的算例分析,表明以上分析方法能有效模拟夹层对热障涂层界面应力分布规律的影响.     

基于声发射技术的热障涂层拉伸失效模式研究

热障涂层是一种典型的脆性、非均质、多层结构的材料。服役过程中受热-力载荷的作用,将会导致涂层过早的剥落失效,其主要的失效形式为陶瓷层开裂和界面剥落失效。热障涂层的失效主要是微裂纹萌生、扩展及连通导致。利用声发射技术结合微观形貌观察,研究了拉伸载荷下热障涂层的失效过程,并识别热障涂层裂纹损伤模式。根据不同载荷下的微观形貌观察,研究拉伸载荷下热障涂层的失效过程;利用声发射特征参数分析法(如声发射事件数、幅值),将热障涂层的失效过程分为几个不同阶段,并结合形貌观察,建立声发射特征参数与裂纹损伤失效信息之间的联系;利用快速傅里叶变换(Fast Fourier transform,FFT)识别热障涂层的损伤模式。结果表明:热障涂层拉伸失效过程为裂纹首先在陶瓷层表面萌生,随后向陶瓷层/粘结层的界面处扩展,到达界面后,裂纹将沿着界面生长与扩展,最终导致热障涂层分层剥落;将热障涂层的失效过程分为四个阶段;频谱分析结果表明基体频率成分大约在0.020MHz,表面裂纹的频率成分在0.20～0.25MHz,界面裂纹的频率成分在0.15～0.20MHz。     

热循环下热障涂层结构不稳定性的数值模拟

针对多次热循环工作条件下热障涂层的结构不稳定问题,采用热弹塑性有限元方法,对不规则界面形貌的涂层结构进行安定性分析.分析了不同的BC层屈服强度对涂层循环不稳定性的影响.结果表明,在温度场和界面形貌相同的条件下BC的屈服强度决定系统的稳定性.该结果对分析涂层体寿命及失效机制有指导意义.     

等离子喷涂NiCrAl涂层残余应力模拟分析

建立了模拟涂层残余应力的数学模型,对等离子喷涂不同厚度NiCrAl涂层的残余应力进行了模拟,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;涂层内部的残余应力水平,随涂层厚度增加而增加;涂层中的轴向应力、径向应力和切向应力主要为拉应力,径向应力是最主要的应力.     

激光熔覆工艺参数对铁基双层涂层组织和残余应力的影响

针对激光熔覆过程中剧烈的温度场变化伴随着应力、应变演化,进而导致零件具有高裂纹敏感性的问题,对不同激光扫描路径及工艺参数下残余应力演变规律进行研究。采用激光熔覆在Q345钢上制备了Fe基双层多道涂层,并以X射线衍射法结合电化学腐蚀剥层法测量沿涂层深度方向的残余应力分布,探究激光扫描路径、功率以及扫描速度对涂层显微组织和应力分布的影响。结果表明：涂层表面和内部为残余压应力,在涂层基体熔合线处残余应力发生突变,热影响区表现为残余拉应力;激光熔覆工艺对涂层残余应力的大小和分布规律有显著影响,当激光扫描路径为轮廓偏置式、激光功率为1.8 kW、扫描速度为0.02 m/s时,涂层具有最优的残余应力分布和成形质量;残余应力的产生主要与激光束对熔池的冲击作用以及熔覆层的非平衡凝固特性有关。     

高温合金激光表面熔铸Ni基合金涂层热疲劳性能研究

研究了高温合金ＧＨ３３激光表面熔铸Ｎｉ基合金涂层的热疲劳性能。结果表明，每次热循环后，熔铸层中的最终残余应力是残余热应力与组织应力共同作用的结果，经一定次数热循环，涂层组织形貌仍遗传了激光熔铸时的形貌，但枝晶变粗大；多次热循环后，涂层出现蚀坑，且多在涂层与基材接合处出现。涂层疲劳损伤形式为应力腐蚀。     

EB-PVD热障涂层TGO三维结构分析

热生长氧化物(TGO)的厚度及形貌是影响热障涂层热应力的关键因素。首先开展了电子束物理气相沉积(EB-PVD)热障涂层1 050℃恒温氧化实验,采用聚焦离子束-扫描电子显微镜(FIB-SEM)实现了EB-PVD热障涂层三维成像,获得了576幅热障涂层高温氧化48 h后的SEM图像;其次,通过EB-PVD热障涂层三维结构的分割与提取,得到了真实TGO三维结构和柱间孔隙三维分布,实现了TGO层的厚度测量;最后建立了基于TGO三维结构和柱间孔隙三维分布的EB-PVD热障涂层有限元热应力分析模型,分析了真实TGO三维结构和柱间孔隙三维分布对EB-PVD热障涂层热应力的影响。结果表明,TGO层的平均厚度为2.37μm,有限元模型中最大拉应力为403 MPa,最大压应力为-282 MPa,最大拉应力与最大压应力均出现在陶瓷层中的柱间孔隙处。     

Residual stress analysis of the thermal barrier coating system by considering the plasma spraying process

The residual stress is the key factor causing the reliability problem of thermal barrier coating (TBC). The failure of plasma spray coatings due to residual stresses is a serious and recurring problem of TBC. The difference of thermal expansion coefficient between the substrate and each coating combined with temperature evolution and temperature gradients during deposition process determine the residual stress for the whole TBC system. The magnitudes and distributions of the residual stresses are affected by deposition process and deposition characteristics. Most of FEA (finite element analysis) has been performed under the assumption that the multilayer coating system is stacked at once without considering the deposition process during plasma spraying. In this research, FEA for a coupled heat transfer and elastic-plastic thermal stress was performed to obtain the more detailed and reliable result of residual stress of the TBC system using the element activation/deactivation technique. The residual stress variation from the start of plasma spraying to cooling stage with room temperature was obtained systematically considering the deposition process. It can be used as reference data to improve the performance of TBC. In addition, the relationship between residual stress and coating conditions such as cooling rate and time is also examined thoroughly.     

原子力显微镜(AFM)在光盘检测及其质量控制中的应用

综述了原子力显微镜(AFM)在光盘质量检测中的应用.AFM能够在nm尺度上直接对光盘及其模板上的信息位几何结构的特征尺寸及其误差进行三维测量,从而可以建立生产工艺参数和信息位几何结构之间、信息位几何结构和盘片电气性能之间的关系,进而找出影响光盘质量的直接原因.用AFM进行光盘质量检测主要有三方面：盘片和模板表面的定性观测;信息位几何结构的半定量分析;信息位特征尺寸的统计分析.定性观测和半定量分析可以对盘片播放的高误差率、凹坑形态和块出错率、凸台形态及其表面粗糙度等参数进行有针对性的检测;而信息位特征尺寸的统计分析则可以对信息位几何结构的关键参数进行面向生产过程的统计分析.所得结论表明AFM在光盘质量检测过程中具有独特的优势.     

Ni-P-Al2O3复合涂层划痕试验中的表面裂纹分析

为了揭示Ni-P-Al2O3复合涂层的失效机理,对Ni-P-Al2O3复合涂层进行划痕试验和划痕过程的有限元模拟。划痕试验表明在Ni-P-Al2O3复合涂层的划痕表面上产生了一定间隔距离的横向表面裂纹。划痕过程的有限元模拟揭示在划痕过程的不同阶段涂层表面和界面上应力分布规律,揭示涂层表面裂纹产生的模式和形成的机理。划痕过程分为划针尖端压入涂层表面、在涂层表面上滑动和从涂层表面升高等3个阶段。前两个阶段由于划针尖端对涂层表面的作用,在涂层表面形成划痕沟槽,引起涂层表面产生裂纹。应力分析表明在划痕过程中涂层表面裂纹形成有两种方式。第一种方式是首先在涂层界面产生裂纹,然后裂纹向表面扩展形成表面裂纹;第二种方式是涂层表面直接形成表面裂纹。表面裂纹是最大拉应力引起的,因此,表面裂纹是第一型裂纹。划针尖端从涂层表面升高后在涂层中留下了较大的残余应力,最大残余拉伸应力是出现在接触中心之下的界面上的第一残余主应力。这些结果将为涂层设计和应用提供依据。     

超疏水表面膜的制备

通过化学气相沉积的方法,在具有规则微形貌的硅片表面沉积硅的有机物制备出了超疏水表面,进而对表面的润湿性进行了对比。结果表明:不同的成膜时间和微形貌的结构尺寸直接影响着表面的润湿性;表面的接触角随着时间的增长而增大,但有一时间极限,此后接触角基本不受影响;当微形貌深度一定,随着形貌宽度的增加接触角无明显变化,但超过某一临界值时,接触角下降明显,不再形成超疏水表面。     

热障涂层平头压痕蠕变研究

研究典型热障涂层(thermal barrier coating,TBC)系统在圆柱形平头压痕下的蠕变响应。考虑刚性压头、弹性压头和弹性磨损压头作用下,压头压痕深度随时间的变化规律和压头前方的Mises应力分布,分析压头尺寸和外载荷变化对压痕深度和Mises应力分布的影响．可以得出结论,平头压痕下TBC系统的蠕变在较短时间内即达到稳态,压痕深度随外载荷和压头半径的增大而增大;在相同载荷和压头半径下,压痕深度的影响表现为弹性磨损心头大于弹性压头,弹性压头大于刚性压头;对于弹性磨损压头,在相同载荷和压头半径下,压痕深度随磨损圆角半径的增大而增大。     

界面滑移对圆柱形凹坑织构滑动轴承摩擦力的影响

为研究不同的滑移情况对圆柱形凹坑织构滑动轴承摩擦力的影响,建立含有圆柱形凹坑织构的滑动轴承在不同界面滑移状态下的摩擦力计算模型,探究影响织构化滑动轴承摩擦力的参数,并借助ANSYS分析不同滑移情况下界面滑移对圆柱形凹坑织构滑动轴承摩擦力的影响规律。结果表明:织构化滑动轴承的摩擦力主要是由轴颈线速度、油膜滑移比、轴承的进出油口压力、织构处油膜压力、织构深度、油膜厚度和承载力决定;不同滑移情况下织构模型的摩擦力均小于无织构模型;且在上下表面均滑移时,圆柱形凹坑织构在出口位置时表现出最优的承载和减摩效果;适当地增加圆柱形凹坑织构的深度可以改善模型的摩擦性能,但是过深的凹坑织构并不能发挥出其性能。     

Analysis of the life of cemented carbide drills with modified surfaces

The performance of cemented carbide cutting tools during machining is influenced not only by the mechanical properties of the coating and substrate but also by the topographies of their surfaces. A tool with good coating and substrate properties but unsuitable topographies may exhibit accelerated wear and, consequently, impaired performance. In this work, drills coated using physical vapor deposition (PVD) were produced with different substrate textures, which in turn generated different coating textures. The surface roughness values of the coated drills were measured together with the residual stress at the interface between substrate and coating. Drilling tests were performed and tool wear was measured during the machining process. Two different tool coatings were studied: TiAlN and TiAlCrSiN. The goal was to study how the characteristics of the substrate and coating (material, surface topography, and residual stress) influence tool life. Tool life experiments were carried out using drilling tests in AISI 1548 steel, which is often used in crankshafts. The primary tool wear mechanism was attrition in all the drills. The main conclusion of this work is that the tool with the lowest roughness and a TiAlCrSiN coating had the best performance in the conditions tested here.     

TiN涂层残余应力对其界面结合强度的影响

用X射线衍射法测试了40Cr基体表面生成的TiN涂层结合界面残余应力,并利用划痕试验法测试了TiN涂层的结合强度,建立了残余应力与结合强度的定性关系。试验结果表明,TiN涂层残余应力对其结合强度有明显的影响,涂层残余应力越大,其结合强度越小,在涂层制备程中减小残余应力,有利于提高其结合强度。