热喷涂涂层和基体中残余应力预报与控制研究

分析研究了热喷涂涂层和基体中残余应力产生的原因并发展建立了相应的理论模型.依据该模型,不但可以计算骤冷过程和冷却过程在涂层/基体结构内引发的残余应力,而且首次分析了沉积过程中,基体/涂层因喷射冲击(即喷涂粒子高速撞击基体及形成的涂层表面)而产生的残余应力,以及因基体/涂层热膨胀系数不匹配产生的残余应力.理论计算结果与实验结果基本吻合.通过理论计算,可以预报涂层/基体中残余应力的大小,并根据需要控制涂层/基体中残余应力的分布.对即将进行的热喷涂工艺具有一定的指导意义.     

工程结构表面涂层残余应力的测量

在工程结构中广泛采用表面涂层技术，由于涂层材料与基体材料的热膨胀系数等特性不同，涂层存在一定的残余应力，易使涂层爆裂甚至剥落，造成涂层失效，结构报废，本文研究电测盲孔法测量涂层的残余应力，用来分析产生残余应力的各种影响因素。     

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。     

显微压入硬度试验的残余应力测定方法

将显微压入硬度试验应用到非均匀组织中残余应力的测定,从理论上推导和研究了非均匀组织中微区残余应力分布与其显微硬度的关系,并利用显微硬度测量技术进行实际测量验证,尝试解决微区残余应力测定的难题.对激光熔覆钴基合金层的计算结果显示,显微压入硬度法得到的残余应力分布数据与其他方法测得的激光熔覆层残余应力分布数据具有相同的变化趋势.     

热障涂层应力产生机制及分布特征

热障涂层因优异的耐高温、耐磨损和耐腐蚀性等优点,被广泛应用在航空发动机等热端部件表面.热障涂层作为零件表面的服役载体,在外界热腐蚀、热梯度应力和机械载荷应力的作用下,易出现表面开裂及界面涂层剥落,这是限制热障涂层长时间使用的瓶颈问题.热障涂层由基体、粘接层、陶瓷层构成,涂层材料特性不同,界面处应力应变分布也不同,在外界载荷条件下,涂层与基体如何实现协同变形,应力如何传递等问题目前尚无明确解释.因此本文主要针对外加载荷作用下,热障涂层内部的应力传递及界面的应力分布问题进行研究.总结当前热障涂层的弹塑性应力模型和损伤应力模型,获得涂层界面应力分布规律,即弹塑性变形阶段,涂层界面应力于一端发生应力集中,并且基体与粘接层界面应力大约是陶瓷层与粘接层界面应力的四倍.随着载荷的增加,涂层表面损伤加剧,其剪滞模型的界面正应力更加符合四分之一椭圆函数,界面剪切应力呈反对称分布,应力分布特征为研究热障涂层在外载条件作用下对裂纹损伤演化行为的影响提供理论依据.     

等离子喷涂热障涂层残余应力的实验与模拟研究

分别采用真空和大气等离子体喷涂工艺在GH3128镍基高温合金基材表面制备CoNiCrAlY结合层和氧化钇部分稳定的氧化锆陶瓷层组成热障涂层。采用有限元模拟计算了涂层的残余应力, 研究了基材预热对打底层与陶瓷层界面应力分布的影响规律。结果表明, 预热基材可以显著地降低陶瓷顶层内部产生的残余拉应力。采用钻孔法测量了涂层中的残余应力并与模拟结果作定量比较, 结果表明: 有限元模拟计算结果与实验测量结果能较好吻合。     

过渡层特性对金刚石涂层残余应力影响的有限元模拟

采用热．力耦合有限元方法对包含过渡层的金刚石涂层一硬质合金基体内的残余应力进行了数值模拟，重点研究了过渡层的特性（弹性模量和热膨胀系数）对金刚石涂层的各应力分量沿界面的最大值的影响。结果表明，随着过渡层弹性模量的增加，径向应力和轴向应力在界面处的最大值均减小，而剪应力的最大值则增大；随着过渡层热膨胀系数的增加，上述各应力分量在界面处的最大值均增大；受过渡层特性影响最敏感的是剪应力。     

CVD·SiC-C 梯度涂层中的残余应力及应力缓和

本文采用热 CVD 方法,在 ZrB_2-SiC 复合陶瓷基体上制备 CVD·SiC-C 梯度涂层。采用XRD,SEM,及 X 射线应力分析方法,研究了 CVD·SiC-C 梯度涂层的相组成、显微结构、残余应力及弯曲强度等性能。结果表明,CVD·SiC-C 梯度涂层可以缓解 SiC 与 ZrB_2基体间的热应力及界面应力,涂层中的残余应力得到明显缓解;高温退火处理对 CVD·SiC-C 涂层中的残余应力亦有缓解作用;梯度涂层显著改善了基材的弯曲强度。     

等离子喷涂生物活性梯度涂层的残余应力与结合强度

本研究设计的生物活性梯度涂层材料,通过降低涂层与基体间的热膨胀系数差值,并对喷涂后的涂层材料进行适当热处理,有效地降低了涂层的残余应力,涂层结合强度可达38MPa左右．本实验采用X射线sin²Ψ法对涂层残余应力进行测试,探讨涂层残余应力与结合强度的相互影响关系．     

铝合金冲击凹坑残余应力显微压痕测定方法

金属结构的表面缺陷(如冲击、刮蹭等造成的损伤)可能会严重影响到其疲劳寿命,缺陷处的局部残余应力测定对缺陷处起裂寿命评估具有重要参考意义。采用有限元方法模拟了2A12铝合金冲击凹坑缺陷的产生和凹坑处的显微压痕试验,以此为依据评估了采用Lee模型计算缺陷处残余应力的精度。结果表明:凹坑底部残余应力(接近等轴情况)估算值与有限元模拟的标准值相比误差在6%以内;而凹坑边缘的残余应力(非等轴情况)估算值与有限元模拟的标准值之间的误差接近25%,通过对非等轴Lee模型进行修正,可将凹坑边缘残余应力的估算误差缩小到8%之内。     

ZrO2-Ni等离子喷涂涂层的残余应力

对不同镍含量的ＺｒＯ２－Ｎｉ等离子喷涂层应用Ｘ射线应力分析技术测试涂层表面应力,用曲率测试应力分析方法测定涂层平均应力,两者有较好的相关性,均表明涂层的残余应力为较小张应力。据测试的曲率半径估算了二层、三层、和六层阶梯涂层各层的平均残余应力和涂层喷涂的平均温度,结果表明多层过渡结构以残余应力作用甚微,所估算的喷涂温度与实际操作条件基本相符。     

Residual Stresses in Plasma-Sprayed Coatings Al 2 O 3

Residual stresses affect significantly the quality and performance of thermally sprayed coatings. The residual stresses in alumina coatings were investigated by means of X-ray diffraction with Cr- and Cu-radiations. The sin² method could be applied to the evaluation of the stress fields. A very small stress gradient was indicated in surface layers of alumina coatings.     

热喷涂涂层与基体结合界面研究进展EI北大核心CSCD

热喷涂再制造过程中,由于材料原因,涂层与基体之间往往存在一个异质界面问题。异质界面的形成与存在对再制造涂层服役性能有非常重要的影响。本文综述了热喷涂涂层与基体结合界面的研究发展现状,主要是结合界面形成机理和结合界面对涂层性能影响的研究发展现状。分析了热喷涂涂层与基体结合界面研究目前还存在的问题,并针对这些问题提出采用新技术与新手段深入研究涂层与基体结合界面的生长形成过程,揭示结合界面形成机理,并利用新表征方法实现涂层与基体结合界面形貌结构定量化表征,构建结合界面与涂层各项性能之间量化关系等的发展建议,进而为实现涂层性能的设计控制及寿命预测奠定基础。     

等离子喷涂铈酸镧热障涂层

采用等离子喷涂铈酸镧（La₂Ce₂O₇, LC）粉末制备了铈酸镧热障涂层（TBCs）.由于等离子喷涂过程中CeO₂的挥发量较多,造成涂层的实际成分为La₂Ce_1.66O_4.32,与原始粉末成分相比有所偏离.在1400℃下经240h热处理后LC涂层发生轻微的分解.在1000℃下LC块材的热导率约为0.51W/(m·K),比传统的氧化钇部分稳定的氧化锆（YSZ）块材的热导率降低了约75%.LC涂层的热膨胀系数（CTE）在450～1100℃范围内介于10×10^-6～13×10^-6K^-1,与相应温度范围内的YSZ相比较高.热膨胀性能测量表明,LC涂层从室温升到1250℃时发生轻微的烧结,在1250℃保温过程发生明显的烧结现象.LC热障涂层在1100℃条件下经60次热循环后从陶瓷层内部发生剥落.     

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.     

强流脉冲电子束粘结层表面改性对热障涂层热震及残余应力的影响

采用等离子喷涂技术在GH4169镍基高温合金表面制备CoCrAlY粘结层,利用电子束蒸发镀膜在CoCrAlY表面蒸镀纳米铝膜并使用强流脉冲电子束熔敷纳米铝膜进行表面改性,使用APS技术在CoCrAlY表面沉积陶瓷层制备改性热障涂层。对粘结层蒸镀铝膜表面改性涂层和普通涂层分别进行热震实验、结合强度测试和残余应力分析。实验发现,在1 050 ℃高温加热后10 ℃水淬的冷热循环条件下,改性涂层的抗热震性能优于普通涂层;热震过程中改性涂层和普通涂层热生长氧化物内产生的残余应力均为压应力,且随热震次数的增加而增大,改性涂层热生长氧化物内残余压应力增长速度小于普通涂层。拉伸结果显示,普通涂层的断裂属于混合断裂,而改性涂层断裂基本发生在陶瓷层和薄膜胶界面,未发现层间断裂。改性涂层结合强度优于普通涂层。实验结果表明,采用电子束蒸发镀膜和强流脉冲电子束技术相结合对粘结层进行熔敷铝膜的表面改性处理,可以显著提高热障涂层冷热循环服役寿命。     

Applying Thermal Spraying to Forming Glass Enamel Coatings

ＡｐｐｌｙｉｎｇＴｈｅｒｍａｌＳｐｒａｙｉｎｇｔｏＦｏｒｍｉｎｇＧｌａｓＥｎａｍｅｌＣｏａｔｉｎｇｓＹａｎＷｅｉｄｏｎｇＱｉｎｘｉｏｎｇｐｕＦａｎｓｈｕｉｃｈａｏＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＸｉ’ａｎ７１００...     

几种Ni-Cr系热喷涂涂层的抗热腐蚀性能和结合强度

针对电站锅炉耐热钢管材(12Cr2MoWVTiB)在燃煤烟气下的热腐蚀机制,设计了几种Ni-Cr系涂层;对不同涂层结构和不同热喷涂工艺制备的涂层试样,进行了硫酸盐热腐蚀动力学对比试验.结果表明,等离子喷涂双层复合涂层具有最好的耐蚀性能;对等离子喷涂和线材火焰喷涂的两种Ni-Cr系涂层采用胶结拉伸法进行了结合强度对比试验,并分析了两种 Ni-Cr系涂层的横断面形貌,结果表明等离子喷涂双层复合涂层的缺陷和孔洞明显较少,结构较为致密,其结合强度远远高于线材火焰喷涂的单层Ni-Cr涂层.     

不同热喷涂技术制备铁基涂层摩擦学性能研究

采用高速电弧喷涂(HVAS)、超音速等离子喷涂(HEPJ)、爆炸喷涂(DGS)三种工艺喷涂技术,制备了铁基涂层.借助X射线应力测定仪、CETR摩擦磨损试验机、纳米测试仪等工具,考察了三种涂层表面残余应力场与(211)晶面半高宽,研究涂层在室温下的摩擦磨损性能.结果表明:爆炸喷涂(DGS)制备的铁基涂层相对于另外两种涂层具有更好的耐磨性,主要原因为爆炸喷涂(DGS)制备的同种材料的涂层表面表现为残余压应力,纳米硬度较大,晶粒较小,涂层致密.涂层表面的残余应力与涂层的摩擦性能有很好的对应关系,晶粒细化与涂层表面晶格畸变的增加可以有效地提高涂层的耐磨性能.