Y-TZP/LZAS微晶玻璃功能梯度涂层残余应力分析

为了提高钢基体微晶玻璃涂层的韧性,设计了Y-TZP/LZAS微晶玻璃功能梯度涂层。运用有限元软件,分析了梯度层数目、梯度层厚度和层间3Y-TZP体积组分差等参数对涂层/基体界面残余热应力的影响。结果表明,涂层表层主要分布为径向压应力;在涂层/基体界面的边缘区域应力集中较为严重;涂层/基体界面处的径向应力、轴向应力和剪切应力以及梯度层数目、梯度层厚度和3Y-TZP体积组分差均有密切关系。最后通过涂搪法制备了梯度涂层,测试了涂层表面残余应力,并与有限元结果对比,以验证模拟的准确性。     

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。     

Q235钢基体LZAS微晶玻璃/Y-TZP梯度涂层接触应力的数值模拟

运用有限元软件对Hertz接触状态下Q235钢基体LZAS微晶玻璃/Y-TZP梯度涂层的接触应力进行了分析。讨论了梯度层厚度、梯度层层数和物性参数渐变方式(3Y-TZP体积组分差)对涂层接触应力分布情况的影响。结果表明:涂层的径向接触应力和Mises应力的最大值位于接触中心处,最大剪切应力则位于涂层表层下方靠近接触中心处;涂层表面径向应力、整体最大Mises应力和涂层/基体界面剪应力与涂层的层数、厚度以及3Y-TZP体积组分差均有密切关系。     

Al3O—Ti系梯度功能材料残余热应力的有限元分析

采用有限元方法对Ａｌ２Ｏ３－Ｔｉ系梯度功能材料在制备过程中产生的残余热应力进行了线 性性分析。详细讨论了梯度层数目、梯度层厚度和成分梯度指数对应力大小和分布的影响，确定了各项最佳参数。非梯度功能材料与优化后的梯度功能材料的残余热絷力对此结果显示：梯度功能赫兹 热应力的效果十分显著。     

基于Nastran等离子喷涂厚壁零件涂层中残余应力分析

基于有限元数值分析对等离子喷涂不同的基体上的喷涂陶瓷涂层和金属涂层中残余应力进行了分析,结果表明:涂层与基体体系的最大应力分布在接触界面附近,由中心线向外依次递增,在边缘处达到最大值。在体系中心区域正应力沿厚度方向逐渐减小,而在涂层中应力分布则趋于线性;建立了涂层中各残余应力分量的准数方程式,准数方程式与数值计算结果显示了较好的吻合,而且对于不同基体-涂层体系均是适用的。无因次最大径向应变、无因次剪应力侵入深度和无因次最大径向应力的大小均取决于涂层厚度与弹性模量的积和基体半径与基体弹性模量积之间比值,而影响无因次径向最大剪应力的大小的根本因素为涂层厚度与光斑半径的比值。     

Al_2O_3-Ti系梯度功能材料残余热应力的有限元分析

采用有限元方法（ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＭｅｔｈｏｄ）对Ａｌ２Ｏ３－Ｔｉ系梯度功能材料在制备过程中产生的残余热应力进行了线弹性分析。详细讨论了梯度层数目、梯度层厚度和成分梯度指数对应力大小和分布的影响，确定了各项最佳参数。非梯度功能材料（ＮＦＧＭ）与优化后的梯度功能材料的残余热应力对比结果显示：梯度功能材料缓和热应力的效果十分显著。     

316L不锈钢基体表面钨功能梯度涂层残余应力的模拟分析

在钢基体(EUROFER、F82H、CLAM、316L)上喷涂钨涂层已成为制备面向等离子体材料的一个重要方法.为了防止钨涂层与钢基体间由于材料热膨胀不匹配而开裂失效,采用热应力缓和型功能梯度涂层是一种行之有效的解决方案.利用有限元分析软件(ANSYS 10.0)分析了梯度涂层厚度对W/316L功能梯度涂层残余应力的影响.模拟结果表明,纯钨层厚度确定时,制备厚的梯度涂层可降低残余应力.当顶层厚度为1mm、梯度涂层厚度为100～200μm时,将产生较大的轴向应力,制备涂层时应当避免此厚度范围.此模拟结果可为该涂层设计和制备提供理论依据和指导.     

Al2O3—Ti系梯度功能材料残余热应力有限元分析

采用有限元方法对Ａｌ２Ｏ３－Ｔｉ系梯度功能材料在制备过程中产生的残余热应力进行了线弹性分析，详细讨论了梯底层数目，梯度层厚度和成分梯度指数对应务大小和分布的影响，确定了各项最佳参数。非梯度功能材料与优化后的梯度功能材料的残余热应务对比结果显示；梯度功能材料缓和热应力的效果十分显著。     

大厚度TiAlN涂层力学性能的研究

采用电弧离子镀技术在不锈钢基体上制备了大厚度TiAlN涂层,并对大厚度涂层的力学性能进行了系统的研究。结果表明:梯度增加和循环增加N2流量制备大厚度涂层的厚度分别达到68.79μm和64.48μm,且涂层力学性能良好;大厚度涂层残余应力沿层深的分布,总体趋势从膜基界面向表面逐渐增大,全膜厚平均压应力低于1GPa,表面硬度近2000HV,循环大厚度涂层的膜基结合好于梯度大厚度涂层,而梯度大厚度涂层展现出更低的摩擦系数与磨损率。     

梯度涂层高炉风口的涂层梯度方程选择

采用有限元分析软件研究了具有不同梯度方程的梯度涂层高炉风口温度及应力的分布状况。结果表明：梯度涂层能够明显改变高炉风口的温度分布，缓和了涂层与基体接合界面处的应力。组成分布规律指数P=1时，涂层中应力缓和效果明显且应力值较小，从而确定最优涂层梯度方程为c=x／5。     

3Y-TZP/LZAS微晶玻璃功能梯度涂层的微观结构与性能

为了提高钢基体微晶玻璃涂层的韧性, 在Q235钢基体上采用涂搪法制备了钇稳定四方相氧化锆/Li₂O- ZnO-Al₂O₃-SiO₂ (3Y-TZP/LZAS) 微晶玻璃功能梯度涂层。采用XRD、SEM分析了梯度涂层的物相组成和微观结构, 采用压痕法测试并计算了涂层的显微硬度和断裂韧性, 通过粘接-拉伸法测试了涂层的结合强度。结果表明, 3Y-TZP/LZAS微晶玻璃功能梯度涂层各层之间的界面结合紧密; 涂层与钢基体依靠玻璃中的SiO₂与铁的氧化物发生界面反应形成牢固的结合, 反应产物为Fe₂SiO₄和FeSiO₃; 涂层的显微硬度和断裂韧性沿涂层厚度方向逐渐增大, 涂层韧性提高是表面残余压应力增韧、3Y-TZP相变及3Y-TZP的颗粒增韧共同作用的结果; 梯度涂层与Q235的结合强度达16.3 MPa。热震实验表明, 梯度涂层在300℃下经历30余次热循环, 表现出较好的抗热震性能。     

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。     

树脂基纤维复合材料的热残余应力数值分析

以环氧树脂R368-1/硼纤维复合材料为研究对象,采用柱体单胞结构,建立了三维有限元分析模型。考虑试样加工制备过程和常温使用时的温度差,对残余应力分布特点和应力水平进行了讨论,给出了应力分布云图和应力沿径向的分布规律。进一步考察了纤维体积分数、温度差和附加界面层对残余应力分布的影响,结果表明,基体主要受拉伸应力作用,纤维主要受压缩应力作用,纤维体积分数增加和附加界面层有助于改善复合材料中残余应力的分布,试样制备温度的升高对纤维中应力的增加具有较大影响。     

碳纳米管增强镁基复合材料热残余应力的有限元分析

为了探寻Ni层厚度对镀镍碳纳米管增强AZ91D镁基复合材料(Ni-CNTs/AZ91D)中热残余应力的影响, 在实验基础上, 建立不同Ni层厚度时Ni-CNTs/AZ91D复合材料的有限元模型, 模拟了Ni-CNTs/AZ91D复合材料中热残余应力的分布。研究发现: 在碳纳米管表面镀镍能够明显降低Ni-CNTs/AZ91D复合材料中的热残余应力。Ni-CNTs/AZ91D复合材料中, 热残余应力在Ni层厚度为6nm时最小; Ni层厚度由2nm增至6nm时, 热残余应力随着Ni层厚度的增加而减小; 当Ni层厚度超过6 nm时热残余应力随着Ni层厚度的增加而增大。复合材料中热残余应力的最大值随碳纳米管表面Ni层厚度的增加向Ni层与基体的界面移动。      

碳钢热喷涂镍沉积凝固过程热力耦合场的数值模拟及温度应力场的分布规律

为了进一步弄清热喷涂残余应力产生的机理、预测与控制技术,以碳钢表面热喷涂镍为例,对镍沉积凝固冷却过程进行了合理的假设和简化。利用ANSYS平台,采用热力耦合计算,模拟了涂层冷却过程,获得了温度场和应力场分布规律,分析了涂层上某些特征点的温度和应力随时间变化的情况,并探讨了基体预热温度和涂层厚度对涂层/基体界面应力的影响。结果表明,涂层温度沿中心向边缘逐渐降低,随时间延长呈降低趋势;基体温度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作用,随基体温度升高,残余应力呈减小趋势,随涂层厚度增加,残余应力呈增大趋势。     

陶瓷基复合材料多层界面相应力传递的有限元模拟

针对陶瓷基复合材料（CMCs）多层界面相的应力传递进行了有限元模拟。采用圆柱单胞模型描述CMCs的细观结构,按相应界面相亚层的实际厚度建立明确的界面相,并假设界面相亚层之间及界面相与纤维、基体之间初始完好结合,然后赋予各界面相亚层不同的材料参数,并采用轴对称有限元法进行求解,最终建立了多层界面应力传递的模拟方法。分别对比了不同厚度热解碳（PyC）界面相、PyC和SiC两种不同成分界面相及（PyC/SiC）和（SiC/PyC）两种结构界面相的应力传递模拟结果。从剪应力沿纤维方向分布及径向分布特点可以看出,通过合理配置CMCs内部多层界面相的结构、成分和厚度,可以实现界面相应力传递及失效模式的控制和优化。     

SiC/Ti-6Al-4V复合材料在横向拉伸载荷下界面失效行为的数值模拟

采用有限元模拟了SiC/Ti-6Al-4V复合材料冷却过程和横向拉伸试验过程, 横向拉伸试样采用十字形试样。分别建立了平面应力和轴对称有限元模型, 采用平面应力有限元模型计算环绕纤维圆周的界面微区应力分布, 预测界面失效机制。采用轴对称有限元模型分析复合材料界面脱粘过程以及残余应力对界面径向应力分布的影响。结果表明: 对于SiC/Ti-6Al-4V复合材料十字形试样,在横向拉伸载荷下的界面失效由径向应力导致,界面失效模式为法向失效, 剪切失效模式未发生; 十字形试样在横向拉伸载荷下界面初始脱粘位置处于界面中间; 随横向拉伸应力增加, 十字形试样的界面脱粘对称向两边扩展; 界面径向应力随残余应力降低而升高。     

等离子喷涂纳米结构与传统结构热障涂层的残余应力对比研究

热障涂层的残余应力是影响其服役寿研究不多.在45钢基体上,用超音速火焰喷涂NiCocrAlY打底层,再用大气等离子喷涂ZrO2-8%(质量分数)Y2O3(8YSZ)工作层,制备了纳米结构与传统结构2种类型的热障涂层(TBC).采用SEM、XRD对这2种涂层的粉末及涂层进行了组织结构分析,用纳米压痕仪测得了2种涂层的弹性模量.用X射线衍射应力测试仪测得了2种涂层的表层残余应力.结果表明:喷涂工艺参数相同条件下,对于打底层及工作层的厚度均相同的2种涂层,纳米结构热障涂层的表层残余应力比传统结构热障涂层约低24.7%;相同打底层的纳米结构热障涂层表层残余应力随着陶瓷层厚度增加而增加,陶瓷层厚度在240 um以下时,表层为残余压应力;厚度超过300 um时,表层为残余拉应力.最后提出了相应的物理力学模型.     

梯度陶瓷喷嘴残余应力的有限元分析

为了提高喷嘴的抗冲蚀磨损能力,将梯度功能材料理论运用于喷嘴材料的设计中,改传统的均质喷嘴材料为非均质喷嘴材料,提出在梯度陶瓷喷嘴制备中将残余压应力引入喷嘴入口的设计目标.在组成分布指数一定的条件下,针对主要设计参数对梯度陶瓷喷嘴残余应力的影响进行有限元分析,探讨了梯度层厚度、临界梯度层材料组分差对SiC/(W,Ti)C单梯度陶瓷喷嘴残余热应力的影响规律,在组成分布指数取0.5时,优化SiC/(W,Ti)C梯度陶瓷喷嘴梯度层厚和临界梯度层材料组分差.结果表明,残余应力随梯度层厚h及临界梯度层SiC体积组分差的不同产生很大差异,合理设计梯度层厚h及临界梯度层SiC体积组分差可在喷嘴入口形成有效残余压应力,最佳梯度层厚为5mm,临界梯度层SiC组分差小于5%(体积分数).     

圆板状SiC/C功能梯度材料残余热应力特征有限元分析

功能梯度材料残余热应力的大小及分布对其性能有效发挥及长期稳定使用有着较大的负面影响,为了尽可能充分发挥材料性能,增加材料的使用寿命,需尽可能减小残余应力以及使其合理分布.本文采用ANSYS有限元分析软件对不同叠层工艺参数的等离子体第一壁候选材料--SiC/C功能梯度材料(FGM)的残余热应力进行了数值模拟,获得了使热应力有效缓和的较适宜的工艺参数,对实际研发制备目标材料也可提供一些理论参照.相关结果表明,适量增加梯度叠层数及中间梯度层厚度可逐步有效缓和残余热应力,同时,针对本文今后应用的仍以炭材料为主体的炭基陶瓷保护层复合SiC/C FGM而言,纯SiC层厚度应取较小值,而叠层成分分布指数应取0.8～1.0为宜.