梯度结构对氧化铝陶瓷涂层抗冲击载荷性能的影响

梯度结构陶瓷涂层以其优异的抗热震性表现出巨大的工程应用前景。为推动梯度陶瓷涂层在机械零件表面强化上的应用,采用“三明治”式梯度结构形式,建立镍基氧化铝梯度陶瓷涂层在冲击载荷作用下有限元模型,分析冲击载荷作用下涂层的力学性能,以及梯度层的结构形式、厚度及层数等参数对涂层的力学性能影响。结果表明：较无梯度结构陶瓷涂层相比,梯度结构能有效减缓涂层与基体结合面上的应力突变,涂层内部最大Mises应力明显降低,合理的梯度结构能改善涂层内部Mises应力分布,改变应力分布特征,减缓表面陶瓷涂层的冲击应力,从而防止陶瓷涂层在冲击载荷作用下脱落。最后对制备层状结构梯度陶瓷涂层时,如何进行梯度层结构设计进行了探讨,并提出了采用0.25次方幂指数梯度结构,得出10层中间层就可有效减缓冲击载何、降低Mises应力突变的结论。     

梯度结构对氧化铝/镍梯度涂层抗热应力影响研究

采用“三明治”式梯度结构形式,建立镍基氧化铝梯度陶瓷涂层在热载荷作用下有限元模型,利用弹塑性有限元分析方法,分析梯度层的结构形式、厚度及中间层数等参数对涂层热应力分布的影响。模型采用轴对称结构形式,梯度是由系列理想中间层叠加而成,并假定各层结构材料性能存在微小差别,各中间层材料性能描述符合混合准则要求。结果表明：同无梯度结构陶瓷层相比,梯度结构能有效减缓涂层与基体结合面上的剪应力突变,涂层结合部最大剪应力明显降低;合理的梯度结构能改善涂层内部轴向热应力及剪应力分布,改变热应力分布特征,降低陶瓷层与基体结合面上的剪应力,减少塑性变形,从而防止陶瓷涂层在温度变化时过大剪应力作用下脱落。探讨制备层状结构梯度陶瓷涂层时梯度层结构的设计,并提出采用8层中间层、20 mm厚线性梯度结构就可有效减缓剪应力的突变的结论。     

梯度结构对氧化铝/镍梯度涂层抗热应力的影响

采用"三明治"式梯度结构形式,建立镍基氧化铝梯度陶瓷涂层在热载荷作用下有限元模型,利用弹塑性有限元分析方法,分析梯度层的结构形式、厚度及中间层数等参数对涂层热应力分布的影响。模型采用轴对称结构形式,梯度是由系列理想中间层叠加而成,并假定各层结构材料性能存在微小差别,各中间层材料性能描述符合混合准则要求。结果表明:同无梯度结构陶瓷层相比,梯度结构能有效减缓涂层与基体结合面上的剪应力突变,涂层结合部最大剪应力明显降低;合理的梯度结构能改善涂层内部轴向热应力及剪应力分布,改变热应力分布特征,降低陶瓷层与基体结合面上的剪应力,减少塑性变形,从而防止陶瓷涂层在温度变化时过大剪应力作用下脱落。探讨制备层状结构梯度陶瓷涂层时梯度层结构的设计,并提出采用8层中间层、2.0 mm厚线性梯度结构就可有效减缓剪应力的突变的结论。     

梯度结构对氧化铝陶瓷涂层结合强度及抗冲击性能影响的试验研究

理论分析表明梯度结构能有效减缓氧化铝陶瓷层与基体结合面上的应力突变,涂层内部最大Mises应力明显降低,合理的梯度结构能改善涂层内部Mises应力分布,改变应力分布特征。为验证理论分析结果的正确性,采用等离子喷涂制备具有不同幂指数分布特征的6层"三明治"式梯度结构涂层,对梯度涂层结构进行表征,并试验研究涂层的结合强度及抗冲击性能。结果表明,试验用梯度结构具备p=0.25,1.00,4.00次方幂指数梯度结构特征,不同结构梯度层结合强度均在14.0~18.0 MPa,幂指数p=1.00的涂层结合强度最好,而幂指数p=0.25涂层抗冲击性能最好,较线性结构梯度涂层提高了30%,较幂指数p=4.00结构的梯度涂层提高了45%,冲击失效后涂层截面分析证实p=0.25次方幂指数梯度结构减少了表面陶瓷层的应力,减缓了陶瓷层基体间应力突变梯度,涂层失效是从底层开始的,失效形式为梯度涂层层状结构间出现分层,而p=1.00、4.00次方幂指数梯度结构涂层冲击失效表现为表面陶瓷层脱落。     

梯度复合结构对列车车轮力学性能的影响

基于列车车轮表面抗磨损的功能要求,划定列车车轮表面为抗磨损功能区,在功能区与车轮基体间设计合理的梯度复合结构,开展具有梯度复合结构的列车车轮设计方法研究。以Hertz接触理论为依据,采用ANSYS建立轮轨热-结构耦合模型,分析轮轨整体在温度载荷及静态接触作用下应力分布。分析梯度复合结构对列车车轮力学性能的影响。结果表明:与无梯度复合结构车轮相比,梯度复合结构能有效降低车轮表面抗磨区与基体间等效应力突变,改变列车车轮应力分布特征,从而防止抗磨区在热-结构耦合作用下脱落。基于文中特定工况下,提出当抗磨区厚度为1.0 mm时,列车车轮表面抗磨区与基体间采用厚度为2.0 mm,中间层为8层的线性梯度复合结构就可有效减缓结合面上等效应力突变的结论。     

渗氮钢粗糙表面的弹塑性接触研究

利用弹塑性有限元和单纯形法求解弹塑性接触模型，分别模拟了屈服强度呈梯度变化的渗氮钢、未经处理的匀质材料和硬涂层材料粗糙表面的弹塑性接触行为。与未经处理的匀质材料相比，渗氮钢可承受更大接触载荷。在相同载荷作用下，渗氮钢表面粗糙峰接触面积较小，平均间距较大，接触体内材料不易发生屈服，从而显著提高接触性能。和硬涂层材料相比，渗氮钢接触体内等效von Mises应力分布平缓，没有应力突变。最后讨论了渗氮层和硬涂层的厚度对粗糙表面接触特性的影响。     

纯钛表面等离子渗钼梯度改性层的微尺度准静态接触力学性能

采用双层辉光等离子表面合金化技术,在TA2纯钛基体表面制备钼梯度改性层,对改性层截面形貌和元素分布进行分析,并研究改性层的微尺度准静态接触力学性能。结果表明:钼梯度改性层均匀致密,厚度约为12.0μm,由厚度2.7μm的沉积层与厚度9.3μm的扩散层组成;钼、钛元素含量沿厚度方向呈梯度变化,改性层与基体形成良好的冶金结合;改性层的硬度和弹性模量分别为13.82,264.00GPa,比基体的分别增大了10.87,142.38GPa,改性层具有较高的强度和良好的塑性;当试验载荷为15N时,微米压入深度接近15μm,复合硬度和弹性模量与基体的相近,改性层的强化作用完全失效。     

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。     

带有硬涂层的球轴承应力场分析

在建立名义点接触问题有限元模型的基础上，计算了不同涂层厚度下6309深沟球轴承的亚表层应力场，首次提出了一个涂层膜厚的无量纲参数ξ。结果表明，当涂层厚度参数ξ小于0．035时，接触区内的Mises应力和最大剪应力的最大值及其所在深度较之无涂层时无显著变化；与无涂层的情况不同，涂层体系表面接触中心处的Mises应力不为零；涂层／基体界面上的Mises应力的最大值出现在接触中心处，最大剪应力在偏离接触中心处出现。     

基于热弹流润滑的墨辊挤压接触区的油墨温度分析

印刷过程中,印刷油墨的温度和黏度对印刷质量有较大的影响。基于热弹流润滑理论,应用MATLAB计算了两墨辊接触区内的油墨墨层压力、中心墨层厚度及油墨层的温度分布,研究了印刷油墨在一软一硬两墨辊接触区内沿墨层厚度方向不同位置处的油墨温度分布,以及载荷、对滚速度和墨辊材料对油墨中间层最大温升的影响。结果表明：受热传导的影响,沿墨层厚度方向的不同位置处,中间层油墨温度最高,越靠近两墨辊处温度越低;随着载荷的增大,油墨中间层最大温升增加;随着两辊对滚速度的增加,两辊接触区油墨中间层的温度变化不大;随着软辊弹性模量的增加,两辊接触区油墨中间层的温升逐渐增加。     

复杂形状钛管件内表面氧化铝涂层综合制备新工艺研究

摘要：为提高钛管件的耐腐蚀性能及抗冲刷磨损性能,研究了在具有复杂形状钛管件内表面制备氧化铝陶瓷涂层的新方法。先通过爆炸焊接制备了Ti／Al双金属复合管,再将其成形为复杂管件,接着通过微弧氧化将复合管件的铝层进行陶瓷化处理,从而将铝层部分转化为氧化铝层。采用XRD、SEM对氧化铝层的相组成及形貌进行了分析,并对氧化铝层与基体的结合强度、耐腐蚀性能和耐冲刷性能进行了表征。结果表明：涂层主要由γ-A12O3及α—A1203组成,其中γ-A12O3的厚度约为40／μm,α-A1203。的厚度约为10μm;陶瓷涂层与基体结合力达55N,涂层腐蚀电流比钛基体降低5个数量级。另外,氧化铝陶瓷涂层可以有效地防护基体被冲刷。     

多层交替膜界限载荷研究

为了研究软硬交替多层表面膜在磨粒作用下的应力应变响应、膜层界面剥离和裂纹的产生及扩展的影响,采用大变形接触弹塑性有限元法对刚性基体上的TiN/Ti多层交替膜在法向压痕作用下的力学行为进行了模拟和分析,研究不同软硬膜层厚度比下,不同膜层的变形、界面切应力分布和表面张应力分布,分析得出界限载荷变化规律及参数分布对其影响情况.结果表明:当软层厚度小于或等于硬层厚度时,增加膜层总厚度可以明显增大多层膜层体系的界限载荷,而软层厚度大于硬层厚度时,增加膜层总厚度不但不能明显增加界限载荷,反而会因增大最大弯曲应力而使界限载荷变小;软硬层厚度比大,而膜层总厚度小的多层膜体系,具有相对较小的最大弯曲应力,因而能承受最大的界限载荷.     

等离子喷涂热障涂层中应力分布的有限元模拟

采用热弹性有限元方法研究了热载荷条件下由数值模拟方法生成的热障涂层冷却至室温后的应力分布,分析了热生长氧化物(TGO)层及其厚度对热障涂层应力分布的影响,并与文献的试验结果进行了对比。结果表明:不含TGO层的热障涂层,陶瓷层和粘结层的凸起处为拉应力,凹陷处为压应力;TGO层形成后,陶瓷层凸起处表现为压应力,凹陷处表现为拉应力;界面附近的陶瓷层在TGO层达到一定厚度时出现应力反转现象,且该现象的出现随着界面粗糙度的增大而延迟;模拟预测的应力与文献报道的结果相近,证明了模拟结果的正确性。     

316L不锈钢表面氧化铝梯度涂层的制备

用热浸镀铝+高温热扩散工艺在316L不锈钢表面制备了铁铝梯度涂层,再用工业纯氮气中残留的氧气对其进行氧化处理制备了氧化铝梯度涂层;用OM、SEM、EDS、XRD、XPS和显微硬度仪等方法对涂层进行了分析。结果表明:750℃浸镀10 min的热浸镀铝涂层经950℃×4 h热扩散后,涂层表面质量较好,平均厚度120μm,与基体结合紧密;铝、铁呈良好梯度分布,表面最高硬度为800~850 HV;经900℃×4 h氧化处理后,氧与铝涂层进行了择优氧化,在距表面100nm以内原位反应生成了氧化铝,且除涂层表面是一层致密的氧化铝膜外,在膜以内氧化铝含量呈梯度分布。     

金属基/陶瓷复合双涂层的正接触应力分析

以球形压头为模型，采用I—deasCAD／CAE软件对Hertz弹性接触状态下金属基／陶瓷双涂层系统的应力分布情况进行了理论建模，并基于模型计算了在不同的涂层厚度／接触半宽度比和外涂层／过渡层／基体弹性模量比情况下的应力分布情况。双层系统具有相同的厚度和不同的弹性模量。论述了无涂层弹性半空间体的有限元分析结果与经典的Hertz接触力学解析解结果的一致性，计算结果有助于工程中陶瓷涂层的设计与应用。     

不同陶瓷涂层厚度对汽车铝合金活塞温度与热应力影响

以汽车发动机铝合金活塞为研究对象,分析不同陶瓷涂层厚度对铝合金活塞温度和热应力的影响。研究结果表明:未覆盖陶瓷涂层及不同陶瓷涂层厚度的铝合金最高温度均出现在活塞顶部中心位置及边缘,且活塞温度从顶部开始向底部沿轴线依次降低;由于陶瓷热导率低于铝合金,导致铝合金活塞最高温度随陶瓷涂层厚度的增加而增加;随着陶瓷涂层厚度的增加,铝合金活塞基体温度明显下降。不同陶瓷涂层厚度铝合金活塞应力曲线几乎平行,随着陶瓷涂层厚度的增加,最大等效应力开始逐渐减小;而随着陶瓷涂层厚度的增加,铝合金基体的最大应力也随之变大。适当喷涂陶瓷涂层有助于降低铝合金活塞基体温度、改善其受力分布,进而延长其使用寿命。     

阀门用波纹管的应力分析

基于有限元方法建立了阀门用波纹管的应力分析方法,通过对波纹管进行有限元分析。结果表明,无论何种工况,波纹管各层的应力分布规律基本相同,其分布规律是波峰与波谷部位应力较大,其余部位应力较小;在位移载荷(拉或者压)作用下,波纹管的最大等效应力均发生在波谷位置;在拉伸位移-内压联合作用下,结构最大应力发生在波峰,在压缩位移-内压联合作用下,结构最大应力发生在波谷;在工作状态下,波纹管的应力主要是由位移载荷引起,因此,在使用过程中应严格控制位移的大小。     

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。     

弹流滚子偏载工况下次表面应力研究

随着滚动轴承向着高速化和重载化的方向发展,在轴承设计需要考虑"偏载效应"和轴承润滑的影响。以圆弧修型滚子为研究对象,建立偏载工况下的有限长线接触等温弹流润滑模型,研究滚子倾斜角度和卷吸速度对滚子次表面应力的影响。计算结果表明,当滚子发生倾斜后,滚子轴向的压力分布不均,受载端的油膜压力和von Mises应力明显增大,并随着倾斜角变大而增大;当滚子载荷不变,卷吸速度增大时,油膜出口区的二次压力峰逐渐增加,导致次表面最大von Mises应力增大,最大von Mises应力的位置向滚子表层移动。研究结果表明,滚子倾斜及卷吸速度对滚子的次表面应力有较大的影响。     

基于喷墨打印的柔性贴片天线设计应用

讨论了贴片天线在外部载荷作用下的机械特性。在不同弯曲曲率条件下,测量了贴片天线的电阻;研究了结构PVC层厚度对于模型频率和振型的影响;对结构进行谐响应分析。发现贴片天线在不同弯曲曲率条件下,阻尼变化较小;随着PVC层厚度的增加,模型的频率随之增加,但振型没有变化;在外部集中力作用下,结构在480 Hz频率位置处出现位移最大值。研究结果表明,该贴片天线具有良好的柔性可弯曲性,中间层厚度对结构最上层的频率变化影响显著,在设计贴片天线时应考虑结构层的厚度影响因素。本研究可为贴片天线的实际应用提供一定程度的指导作用。