Y-TZP/LZAS微晶玻璃功能梯度涂层残余应力的有限元分析

设计了Y-TZP/LZAS微晶玻璃功能梯度涂层,使用有限元软件分析了成分分布指数、梯度层数目和梯度层厚度等参数对涂层/基体界面残余热应力的影响。结果表明:功能梯度材料的最佳成分梯度指数为m=1;涂层最佳层数为3-5层;涂层最佳厚度为1-1.5 mm;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与成分分布指数、梯度层数目和梯度层厚度有密切的关系。用涂搪法制备了梯度涂层,用X射线衍射法(XRD)测试了涂层表面残余应力,验证了有限元结果的准确性。     

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。     

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。     

钛合金TC4表面医用氧化物陶瓷涂层的 残余热应力分析

采用有限元方法分析了钛合金TC4表面分别溅射沉积的4种医用陶瓷涂层Ta2O5、Nb2O5、ZrO2和TiO2的残余热应力分布情况,并以Ta2O5涂层为例,研究涂层的厚度与结构对残余热应力最大值的影响。结果表明,4种氧化物涂层的残余热应力都表现为拉应力,且应力最大值均位于涂层/基体结合界面的外边缘,其中残余热应力最大值最大的是Ta2O5涂层（32.2 MPa）,其次是Nb2O5（19.7 MPa）和ZrO2涂层（10.2 MPa）,最小是TiO2涂层（1.03 MPa）。当涂层厚度由1 μm增加到4 μm时,Ta2O5涂层的残余热应力最大值呈现先减小后增大的变化趋势,其中涂层厚度为2.5 μm时的残余应力最大值最小。对于不同结构的Ta2O5涂层来说,在表面层厚度或涂层总厚度相同的情况下,残余热应力最大值由小到大的涂层结构依次为梯度涂层、复合涂层、单层涂层。     

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。     

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.     

水冷壁管梯度陶瓷涂层的设计与性能研究

针对燃煤电厂锅炉水冷壁爆管问题,研究设计了一种热膨胀系数梯度变化的涂层结构.为了提高涂层与基体的结合强度,计算了涂层及管壁的温度场及热应力场的分布.结果表明:涂层与管壁的界面处热应力最大,并且热应力与涂层的热膨胀系数成正比,通过调整涂料各成分的含量来改变各层的热膨胀系数;采用双层结构梯度涂层,理论计算表明界面处的最大热应力为1.78 MPa;而通过拉伸力学性能测试得出涂层的平均抗剪切强度为5.60 MPa,是界面处最大热应力值的3倍左右.因此,在管壁表面喷涂功能梯度涂层,能够缓和涂层与基体界面间的热应力.     

等离子喷涂Sm2Zr2O7/8YSZ热障涂层热冲击应力的数值模拟

热障涂层的热冲击应力对其热冲击性能有重要影响,有关其热冲击应力的研究鲜见报道.采用有限单元法研究了基体材质、厚度对等离子喷涂Sm2Zr2O7/8YSZ热障涂层水淬热冲击应力的影响,并与8YSZ涂层比较.结果表明:涂层内存在较大径向冲击热应力,其值随基体热膨胀系数增加而增大;随基体厚度增加,径向应力逐渐增加,厚度超过25 mm后对径向应力无影响;剪切压应力的绝对值随基体厚度增加而增大,基体厚度超过20mm后趋于稳定;基体厚度对轴向应力无影响;该涂层的抗热冲击性能优于传统8YSZ涂层.     

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．     

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。     

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。     

等离子喷涂氧化铝涂层界面状态和结合性能的研究

采用相同的等离子喷涂工艺参数对TC4钛合金、45钢、6061铝合金和纯铜等不同基材进行了等离子喷涂工艺试验.利用金相显微镜和扫描电镜观察了涂层组织的界面结合状态,测试了不同基材上涂层的结合强度,分析了基材性质不同对涂层残余应力、界面组织状态和结合强度性能的影响规律.结果表明:基材的热膨胀系数、导热系数、比热容等物性参数...     

含FGM的涂层结构中热残余应力的分析与优化

本文利用有限元方法和优化理论,对含ＦＧＭ（Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｌｙ　Ｇｒａｄｅｄ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）层的热喷涂构件中的残余应力进行了数值分析,并获得了ＦＧＭ内各组份体积含量分布的最优化形式和参数ｐ。同时,我们也研究了喷涂构件的几何形状、涂层及基底的材料性能对于ｐ的影响规 律。在本文的分析中,考虑了基底材料和ＦＧＭ的塑性变形以及其性能对于温度的依赖。本文 的工作将有利于含ＦＧＭ层的热喷涂构件的设计与生产。     

热喷涂构件中残余应力的理论分析

本文发展了一种新的分析涂层结构(平板、梁)热残余应力的模型,可以研究骤冷过程(Quenching)和冷却过程(Cooling)在涂层结构内引发的残余应力分布。与以往模型相比,其优势在于:它可以考虑源于喷涂过程的涂层孔隙率、温度梯度等因素对于涂层和基底内残余应力的影响。其中孔隙率和温度分布由计算机模拟涂层沉积过程得到。另外,当基底的材料和几何参数被固定时,我们分析了诸如涂层的理想模量、厚度、热膨胀系数等参数,对于涂层结构中最终残余应力分布的改变机理。     

莫来石/氧化铝预应力涂层增强氧化铝的弯曲强度和抗热震性能

在陶瓷表面引入含压应力的涂层是一种有效的增强技术。本研究将氧化铝和石英粉混合浆料涂覆在预烧后的氧化铝坯体上,无压共烧原位合成了热膨胀系数较低的莫来石–氧化铝涂层。利用降温过程中涂层内形成的残余压应力实现了氧化铝陶瓷的预应力强化。结果表明：随着涂层中石英掺量增加,预应力氧化铝的强度出现先增大后减小的趋势;当涂层中掺入石英的质量分数为15%时,预应力增强效果最好,涂层与基体界面结合紧密,预应力氧化铝陶瓷的弯曲强度达到(549.44±27.2)MPa,比普通氧化铝的强度提高了37.19%;当涂层中掺入石英的质量分数增大到15%以上,由于烧结收缩不匹配反而引起强度下降;这种预应力增强效果会随着温度升高逐渐减弱,当测试温度达到并超过1000℃时,预应力氧化铝和普通氧化铝会具有大致相等的抗弯强度。由于表层压应力的存在,预应力氧化铝还展现出更好的抗热震性能和损伤耐受性。     

界面梯度对TiN／不锈钢涂层应力的影响

气相沉积表面涂层在科学技术各领域得到广泛应用，然而，由于涂层与基体在化学和物理性质上的差异，使得涂层与基体在界面两侧产生结构和性能上的突变，影响了涂层功能的充分发挥。为此，采用多靶磁控溅射技术制备了具有梯度过渡层的ＴｉＮ／不多靶磁控溅射技术制备了具有梯度过渡层的ＴｉＮ／不锈钢涂层，并研究了梯度层对涂层内应力的影响。研究结果表明：采用多靶磁控溅射技术，分别控制各靶的功率，能够精确控制梯度层的成份变化     

Analytical and Finite Element Analysis of Thermal Stresses in TiN Coatings

The thermal residual stress and associated effects in TiN coatings with planar and nonplanar surface roughness on silicon (100) substrates were analyzed using both analytical and finite element (FE) modeling. The effect of growth temperature (T_s), thickness, and the modulus of elasticity on the stress evolution in TiN coatings is reported. The results indicate that the variable thermal stress in the TiN coatings is due to the existence of both positive and negative temperature gradients and thus the resultant existence of disparity of the coefficient of thermal expansion between the substrate and the coating.     

电子束沉积SiC/ZrO2热防护层的结构优化及其抗热震性能

高性能辐射热防护层是高超声速飞行器金属热防护系统的重要组成部分。为获得高性能的热防护层,利用L5 EB-PVD电子束物理气相沉积设备在Haynes 214镍基合金表面沉积了SiC/ZrO2防护层,测试了其在热循环条件下的抗热震性能;通过分析其沉积温度及厚度对残余热应力的影响,确定了热防护层的沉积工艺参数。结果表明:热防护层在800℃和900℃循环80次后未出现明显的宏观裂纹;1000℃循环60次后,SiC表面层应力集中区出现裂纹,在交变热应力作用下,裂纹不断扩展形成网状龟裂纹,最终导致热防护层剥落;热膨胀系数不匹配导致热防护层在急冷急热热震过程中产生热应力是导致其失效的主要原因。