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。     

TiN涂层中表面裂纹产生的机理研究

为了揭示滑动摩擦接触条件下的Ti N涂层表面裂纹的形成机理,对Ti N涂层进行了划痕试验和有限元模拟。划痕试验结果表明在划痕表面产生了平均间距约为5.12μm的弧型裂纹。采用三维有限元方法对划痕过程进行了模拟,模拟结果表明了涂层结构中的应力分布的特点。采用二维扩展有限元方法(XFEM)对划痕过程中的涂层的裂纹产生进行了模拟,模拟结果表明涂层中表面及界面裂纹主要是由最大拉应力引起的第一型裂纹;涂层亚表面裂纹是一种由拉应力和剪应力引起的复合型裂纹。表面裂纹的形成有三种方式:第一种方式是首先在涂层界面产生微裂纹,随着裂纹沿着厚度方向扩展到表面形成表面裂纹;第二种方式是在涂层表面直接形成表面裂纹;第三种方式是微裂纹首先在涂层亚表面形成,然后沿着厚度方向扩展到表面形成表面裂纹。模拟中发现在表面和界面首先产生微裂纹的数量比亚表面产生微裂纹的数量更多。随着裂纹的扩展和融合将导致涂层的剥落。     

复合材料界面断裂的光弹性研究

使用了光弹性方法初步研究了复合材料的界面断裂规律 ,观察了裂纹沿界面的扩展过程 ,界面的应力分布 ,并结合断裂力学方法计算了复合材料界面的脱粘强度。实验现象揭示了当裂纹扩展到界面附近时 ,若基体和增强项的强度都大于界面结合强度 ,裂纹前端的应力首先通过界面脱粘而释放掉一部分 ,裂纹越过基体先沿着界面扩展 ,达到一定程度后基体再发生基体裂纹扩展     

超音速火焰喷涂WC-10Co4Cr涂层的力学性能及断裂机理

采用超音速火焰喷涂技术(HVOF)在不锈钢基体上制备了WC-10Co4Cr涂层,测试了涂层的显微硬度和结合强度,研究了涂层的物相组成和横截面、断裂面的形貌,分析了涂层的断裂方式和断裂机理。结果表明:WC-10Co4Cr涂层的平均显微硬度达1 147.6HV,结合强度为70MPa;涂层的拉伸断裂为典型的脆性断裂,没有明显的塑性变形过程;涂层中颗粒间的孔隙和微裂纹在外应力的作用下形成裂纹,裂纹沿颗粒与颗粒间的界面扩展并伴随扩展方向的偏转,最终导致涂层的断裂。     

基体表面纳织构化对AlCrN涂层刀具界面结合强度影响的研究

为了探讨基体表面不同预处理工艺对涂层界面结合强度的影响,利用研磨抛光、喷砂和织构化等三种不同的预处理工艺对基体表面进行处理后涂覆Al Cr N涂层,制备出三种不同的Al Cr N涂层试样。对试样进行划痕试验,研究并比较各试样的界面结合强度。研究结果表明:与研磨抛光和喷砂两种预处理方式相比,织构化工艺能在基体表面有效加工出规则、连续的纹理,增加基体表面的粗糙度,有利于增加涂层与基体间的界面结合强度。     

牵引电机轴承绝缘涂层绝缘性能与力学性能试验分析

长期承受交变力与热冲击载荷作用的牵引电机轴承绝缘涂层会发生变色、氧化乃至龟裂,导致绝缘涂层的绝缘性能和结合强度等发生改变。以不同型号和涂层厚度的退役绝缘轴承为研究对象,进行温度、湿度交变循环下的轴承绝缘涂层性能试验、划痕试验和热-应力耦合仿真,结果表明：绝缘涂层厚度越大,轴承的整体绝缘性能越好;轴承边缘位置的涂层与基体结合的临界载荷值小于中心位置,边缘位置更容易发生失效,同一型号轴承随着绝缘涂层厚度增加,涂层与基体的临界载荷值减小,涂层与基体的结合强度下降;涂层边缘和中心处内外界面的等效应力差值均随涂层厚度的增加而增大,涂层厚度的增加不利于涂层与基体结合。     

等离子体辅助激光织构化预处理增强TiAlN刀具涂层膜基结合强度的机理研究

物理气相沉积(PVD)TiAlN涂层刀具在难加工材料高性能切削中有巨大的应用需求,而涂层膜基结合强度成为制约其高性能切削难加工材料的关键问题。为解决该问题,采用纳秒激光和等离子体刻蚀系统对硬质合金基体表面进行预处理,而后进行TiAlN涂层,最终获得传统涂层刀具(CCT)、激光织构化涂层刀具(LCT)、等离子体刻蚀涂层刀具(CECT)、等离子体辅助激光织构化涂层刀具(LECT)。分析织构化基体晶相结构、比表面积、表面能等材料特性和表面状态,并利用上述制备的涂层刀具进行划痕试验和干切削316奥氏体不锈钢试验。结果表明,通过基体表面等离子体辅助激光织构化预处理,可改善涂层膜基化学键合性能的差异,增加基体表面比表面积和表面能,改善膜基间物理结合和化学键合界面,进而提升TiAlN涂层膜基结合强度。与其他三种涂层刀具进行划痕试验与切削试验对比,进一步验证了LECT的涂层膜基结合强度最好。     

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。     

TiN/C3N4复合涂层的显微结构特征及其与性能的关系

利用扫描电镜和显微硬度及划痕试验对用反应磁控溅射法制备的TiN／C3N4复合涂层进行了较系统的研究，对TiN／C3N4复合涂层的横截面断口形貌进行了观察和分析。结果发现涂层呈平滑脆性断裂，并与呈韧性断裂的高速钢基体之间结合紧密，说明涂层具有很高的硬度和结合强度，能够满足刀具的使用要求。并对涂层的显微组织特征及其形成机理进行了初步讨论。     

NiTi合金表面改性及其微动磨损性能研究

采用多弧离子镀技术在NiTi形状记忆合金表面制备TiN涂层。利用SRVⅢ摩擦磨损试验机研究NiTi合金表面改性后在37℃Hank’s模拟体液中微动磨损性能,分析法向载荷对TiN合金磨损机制的影响规律。利用SEM扫描电镜及能谱考察磨损表面形貌,结果表明：制备的TiN涂层表面致密均匀,无明显缺陷。说明TiN涂层可有效提高基体的耐磨性能,其磨损机制主要表现为剥落损伤与磨粒磨损并存。TiN涂层显微硬度为784 HV,远高于基体,TiN/NiTi膜基硬度比缓慢下降,涂层与基体结合强度高。     

PVD TiCrAlN刀具涂层高频疲劳性能研究

通过超声辅助振动的方式,用金刚石压头对PVD TiCrAlN涂层进行不同振幅下的高频冲击试验。采用扫描电子显微镜(SEM)和3D轮廓仪等对冲击后涂层的表面破坏形式和压痕形状进行检测,得出TiCrAlN涂层的抗冲击能力,分析了涂层冲击失效机理。结果表明:TiCrAlN涂层在受到冲击时产生侧向裂纹等失效形式;涂层在冲击载荷下受到的最大拉应力靠近冲击中心接触区边界;TiCrAlN涂层在高频冲击载荷作用下容易发生破坏,但是没有发生剥落,原因可能是:TiCrAlN涂层与基体界面处的结合力较好,涂层与基体界面的结合力影响了刀具涂层的抗冲击强度。     

含多粗糙峰涂层等效应力的有限元分析

研究刚性平面与含粗糙峰涂层在二维与三维模型下的弹性接触问题,采用有限元法分析涂层弹性模量比、涂层厚度、粗糙峰间距、刚性平面压下深度对涂层粗糙峰表面、涂层/基体界面分布及基体等效应力分布的影响。计算结果表明压下深度对三维涂层粗糙峰表面最大应力的影响最大,涂层厚度、涂层/基体弹性模量比、粗糙峰间距的变化对应力值影响逐渐减小;增大涂层厚度、减小压下深度和粗糙峰间距、降低弹性模量比会使得三维接触模型最大等效应力值显著降低;增加涂层粗糙峰数和涂层厚度、同时降低涂层弹性模量有助于提高涂层/基体界面结合强度。相对于二维接触模型来说三维接触模型在粗糙峰表面的等效应力增大,造成这种变化的主要原因是由于涂层表面粗糙峰之间的等效应力叠加引起的。该研究为涂层粗糙峰及涂层/基体界面强度的应力分析提供依据。     

TiAlCN涂层界面扩散机理与结合强度

利用阴极弧离子镀在Cr12MoV钢表面制备了TiAlCN涂层,通过扫描电镜(SEM)、能量分散光谱法(EDS)、X射线衍射术(XRD)等手段分析了TiAlCN涂层的表面-界面形貌、化学元素分布和物相特性,并对其界面结合机理进行了探讨。结果表明,Al原子第一电离能低于Ti原子,容易从靶材上气化电离出来沉积在基体上,使得涂层中Al元素含量较高;涂层中TiN、AlN和AlTiN为硬质相,其中涂层中高含量的Al原子有利于提高抗磨损性能,无定形C原子有利于降低摩擦系数;Ti、Al、C、N等原子在涂层中产生富集现象,在结合界面处发生扩散,是形成冶金结合的主要机制。另外,用划痕法测得涂层界面结合强度为76.9N,具有较高的抗剥落能力。文中的结果为TiAlCN涂层在冷作模具表面改性处理中的应用提供了实验基础。     

TiN涂层陶瓷刀具膜-基界面应力的试验研究

利用X射线衍射(XRD)应力分析仪测试了TiN薄膜涂层与Si3N4陶瓷刀具基体的界面残余应力状况,分析了成膜过程中应力形成的原因及对膜—基结合强度的影响。结果表明,TiN薄膜的残余应力为压应力,本征应力为张应力,应力的大小及分布对涂层刀具的硬度和膜—基结合强度有明显影响。     

ZrN涂层刀具的滑动磨损特性研究

山东大学摘要:采用电弧离子镀法在硬质合金刀具表面制备了厚度为2.19~5.23μm的ZrN系列涂层,测定了涂层的显微硬度,并通过划痕试验和摩擦磨损试验考察了涂层与基体的结合强度及其摩擦磨损性能。在扫描电镜下观察磨损表面形貌,结果表明:ZrN系列涂层能够显著提高硬质合金刀具的表面硬度;涂层与基体的结合强度较高,划痕临界载荷高于60N;与此同时,电弧离子镀法ZrN系列涂层可以显著改善硬质合金刀具的耐磨性能。磨损机理主要是磨粒磨损和涂层的微剥落。     

氮化物涂层对65Mn钢割灌机刀片摩擦磨损性能的影响

利用PVD多弧离子溅射在65Mn钢试样基体表面分别沉积TiN,TiAlN和A1CrN涂层,并进行纳米压痕试验和划痕试验,对比其表面硬度和膜-基结合强度,分别采用UMT-2摩擦磨损试验机在不同载荷(5N,10N,15N,20N)下对4种试样进行摩擦磨损试验,对比不同氮化物硬质涂层对65Mn钢割灌机刀片摩擦磨损性能的影响,...     

陶瓷基复合材料低循环拉—拉疲劳寿命预测

采用细观力学方法建立预测纤维增强陶瓷基复合材料低循环拉—拉疲劳寿命的模型。该模型考虑初始加载到疲劳峰值应力时,基体出现裂纹,纤维/基体界面发生脱粘,部分纤维将发生断裂,并采用统计方法得到初始加载到峰值应力时的纤维失效体积分数;在后续循环过程中,考虑纤维相对基体在界面脱粘区滑移造成界面切应力下降,纤维失效模型与Evans界面磨损模型相结合,得到循环过程中纤维失效体积分数与界面切应力、循环数之间的关系;当纤维失效导致剩余强度下降,并小于疲劳峰值应力时,判断材料失效。采用剩余强度方法对陶瓷基复合材料的S-N曲线进行预测,并将预测的S-N曲线与试验数据进行对比,结果吻合较好。     

涂层界面结合力的滑移线场的计算与分析

涂层-基体界面结合强度的好坏是评价涂层质量的关键指标,是保证涂层-基体满足力学、物理和化学等性能的基本前提.在所有测试方法中,划痕法是最成熟和应用最广的方法之一.通过李和谢费的滑移线场理论,建立了涂层-基体界面结合力的理论计算方法,计算出(0.01～0.09)mm厚电沉积镍涂层的界面结合力,其数值为(5.4～48.6)N/mm,并运用有限元软件对该涂层的划痕过程进行了仿真,两者结果比较发现该解析解和有限元数值解有较好的一致性,他们之间的界面结合力计算误差在5%以内.并且在有限元仿真过程中能够直观体现刮刀在行进过程中涂层-基体界面所发生的应力、应变情况.     

器件韧性镀膜微划痕破坏机理研究

对硅基体上之韧性镀膜（铝膜）的粘结强度及破坏机理进行微划痕实验及理论研究,从实验中观察出该体系的破坏特征,进而测量出微划前水平驱动力、划痕深度随划前水平位移并伴随着界面脱胶发生的变化规律,针对微刈痕破坏特征,建立了双粘聚力模型,并对由微划痕引起的界面弹塑性脱胶进行了数值模拟,给出界面脱胶时能量释放率随其他材料参数变化的理论预测曲线,并将预测值与文中的铝／硅实验结果及与文献中关于铂／氧化镍的实验结果进行对比,达到基本符合。通过以对韧性薄膜／脆性基体的微划痕实验研究和理论分析,获得如下主要结论：（1）韧性膜的微划痕破坏特征为,当划刀尖端接近界面时,将突然发生薄膜测界面的脱胶现象,并在界面附近脆性基一侧形成界面裂纹并扩展;微划痕的水平驱动力表征了整个薄膜脱胶体系的能量释放率;薄膜或涂层材料的塑性变形对微划痕过程有较强的抑制作用。（2）界面的分离强度和材料的剪切强度对微划痕过程有重要的影响。（3）划痕刀片的几何特征角对刻痕水平驱动力影响不大。     

镍基合金涂层和扭力轴的扭转特性仿真

为了得到修复再制造后扭力轴基体和镍基合金熔接涂层的力学性能,分析了不同扭转弧度对熔接涂层和基体力学性能的影响,得出熔接涂层和基体的应力、应变随扭转弧度的变化规律,并讨论模型轴向外表面和径向内表面应力、应变随扭转弧度的变化规律。研究结果表明:修复后的模型力学性能达到原有力学性能的90%;随着扭转弧度的增大,扭力轴基体和熔接涂层的应力、应变均逐渐增大;对于模型轴向外表面,最大应力出现在涂层上,并且由涂层中心向四周的结合界面扩散,熔接涂层应变是先小于基体应变,然后再大于基体应变;对于模型径向内表面,熔接涂层的应力和应变始终大于基体的应力和应变。