热障陶瓷涂层材料对柴油机活塞的影响

目的研究不同陶瓷材料对活塞温度和热应力的影响。方法以氧化镁-部分稳定氧化锆陶瓷(Mg-PSZ)和氧化钇-部分稳定氧化锆陶瓷(Y-PSZ)两种材料为研究对象,在硅铝合金活塞顶部分别喷涂Mg-PSZ和Y-PSZ等离子体,分析讨论了两种不同涂层材料对活塞温度场和热应力场的影响,对比分析了有无陶瓷涂层活塞温度场和热应力场的变化。结果和无涂层活塞相比,Mg-PSZ涂层活塞和Y-PSZ涂层活塞的表面温度明显升高,其表面最高温度分别升高了50.49%和34.81%,但是对应的基体最高温度却分别下降了28.49%和17.34%。同时还发现,Mg-PSZ涂层活塞和Y-PSZ涂层活塞具有相同的温度和热应力分布,并且其活塞基体和无涂层活塞也具有相同的温度和热应力分布。结论 Mg-PSZ涂层活塞和Y-PSZ涂层活塞都会导致活塞表面温度升高,应力增大,但是Y-PSZ对基体温度影响更大,Mg-PSZ对热应力影响更大。     

塑料板材热成形过程三维温度场的有限元分析

塑料板材热成形过程中,温度通过影响流体粘度和流动行为指数对塑料板材的变形行为有着较大的影响。结合变形计算的刚粘塑性有限元公式、粘度计算的阿雷尼厄斯（Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ）方程和威廉斯（Ｗｉｌｉａｍｓ）方程以及温度场计算的加权余量Ｇａｌｅｒｋｉｎ有限元公式,开发了对塑料板材热成形过程的变形和温度场进行数值模拟的三维有限元软件。求解塑料板材热成形过程三维温度场时,采用六面体单元,对热传导的动态边界条件、变形功转化的热即热力耦合以及潜热进行了处理。采用解析法和开发的三维有限元程序分别对热塑料件的热传导进行计算,证实开发的软件是正确的。本文对ＨＤＰＥ半球形塑料件热成形过程的变形和温度场进行了有限元模拟。模拟结果表明成形件的温度场分布直接受厚度分布影响,为采用简便的温度测量获取制件的壁厚分布数据提供了理论基础。     

确定冷轧辊的热应力问题的数值解法

本文根据差分原理,推导出轴对称无内热源情况下定常与非定常温度场的差分方程计算公式;并以数值积分形式的公式近似地计算热应力场。二者结合起来,可以解决冷轧辊温度场及热应力场的计算问题。计算结果表明,沿轧辊横截面的应力分布规律与理论分析一致,计算数值同理论解相接近,并符合实测结果,此种计算方法可应用于冷轧辊进而可以解决连铸机二冷区夹辊及拉矫机拉辊的温度场及热应力场的计算问题。     

预测长圆柱体淬火残余应力的有限元方法

利用伴随机变的热弹塑性本构方程及热传导方程，推导了计算热处理过程瞬态温度场和内应力的有限元列式。利用一组不同温度水平下的高温拉伸实验来确定构方程中的材料参数及其随温度的变化。依据上述理论及数据预报１Ｃｒ１３钢圆柱体在淬火过程中的瞬时内应力和残余应力分布。残余应力计算值与实验测定值比较，结果令人满意。     

预测长圆柱体淬火残余应力的有限元方法

利用伴随相变的热弹塑性本构方程及热传导方程，推导了计算热处理过程瞬态温度场和内应力的有限元列式。利用一组不同温度水平下的高温拉伸实验来确定本构方程中的材料参数及其随温度的变化。依据上述理论及数据预报了１Ｃｒ１３钢圆柱体在淬火过程中的瞬时内应力和残余应力分布。残余应力计算值与实验测定值比较，结果令人满意。     

基于MSC.Marc的钛合金激光快速成形过程模拟

钛合金激光快速成形是结合CAD/CAM、高功率激光熔覆和快速原型制造的先进技术.利用准确的热传递数学模型,建立起符合实验的物理模型,计算出正确的快速成形温度场、热应力场和残余热应力场.本文面热源模型采用高斯热源,考虑了材料热物理性能参数与温度的非线性关系,研究了用激光快速成形技术制造TC4零件过程中温度场的分布,并利用有限元软件MSC.Marc求解了相应热应力场和冷却后的残余热应力场和位移变化分布,分析了指定点的温度和应力随时间变化曲线,对成形过程进行了详细分析,为TC4零件的激光快速成形提供指导.     

可计及温度与层状结构影响的超高温陶瓷基复合材料涂层残余热应力理论表征模型

目的创建可计及温度与层状结构共同影响的超高温陶瓷基复合材料涂层与基体层因热不匹配导致的残余热应力的理论表征模型。方法基于经典的层合板理论与超高温陶瓷基复合材料热物理性能参数对温度的敏感性研究,引入温度和层状结构对涂层与基体层所受残余热应力的影响,形成各层残余热应力温度相关性的理论表征方法,并以ZrB_2-SiC复合材料涂层为例,利用该理论方法系统地研究了各种控制机制对残余热应力的影响及其随温度的演化规律。结果超高温陶瓷基复合材料涂层与基体层所受的残余热应力随着温度的变化而变化,涂层热膨胀系数与基体层热膨胀系数差别越大,变化幅度越大。当涂层材料热膨胀系数大于基体层材料热膨胀系数时,涂层材料遭受残余拉应力,基体层材料遭受残余压应力;随着涂层厚度的增加,涂层所受拉应力减小,而基体层所受压应力增大;当涂层材料热膨胀系数小于基体层材料热膨胀系数时,涂层材料遭受残余压应力,基体层材料遭受残余拉应力;随着涂层厚度的增加,涂层所受压应力减小,而基体层所受拉应力增大。低温下,各层所受残余热应力对层厚与每层材料组成的变化比较敏感,随着温度的升高,敏感性降低。结论对于涂层材料,应设计涂层材料的热膨胀系数小于基体层材料的热膨胀系数,使涂层遭受残余压应力,这不仅能够降低材料表面产生裂纹的危险,同时可以抑制表面已有缺陷的扩展。同时应当设计相对较小的涂层厚度,以增大涂层所受的残余压应力,降低基体层所受的残余拉应力,有效提高整体材料在不同温度下的强度性能。     

C/C材料表面ZrB2-SiC功能梯度涂层残余应力分析

目的以C/C复合材料为基体,设计ZrB_2-SiC功能梯度材料。方法利用Ansys软件对等离子喷涂ZrB_2-SiC功能梯度涂层在沉积过程中产生的残余应力进行数值模拟,分析成分分布指数p和梯度层厚度t对梯度涂层残余应力的影响;并通过基于悬臂梁理论的热应力解析,计算与基体接触的涂层在涂层与基体厚度比λ不同时的残余应力值。结果模拟分析结果表明,在涂层与基体的界面,梯度层的厚度对轴向压应力影响不大,径向压应力和切向应力均随厚度的增加而增大,在边缘区域应力集中较为严重,易产生层间破坏;纯ZrB_2层为表面层,其应力主要为径向压应力,且沿径向逐渐减小至0,到边缘处又突变为拉应力,并随p的增大而减小。对比解析法分析可得两者计算的与基体接触的涂层内部的残余应力随λ的增大都是逐渐降低的,这符合涂层内部的应力分布原理。根据优化设计,获得功能梯度材料在各梯度层厚度d为0.1~0.2 mm,成分梯度指数为4时的热应力变化缓和效果较好。结论基于悬臂梁理论的解析解可以很好地评估热应力,并验证了该模拟的正确性。     

焊接过程热传导系数反演法

由传热学基本方程，推导出了由温度场全场信息反演热传导系数的数学模型。证明了焊接过程热传导系数反演法的可行性。结合红外热象法与热电偶测量了LY2铝合金固定TIG点焊过程的焊接温度场。参照温度场全场信息，通过计算分别获得了加热和冷却过程热传导系数随温度变化曲线。结果表明，焊接过程中温度变化方向对热传导系数的影响是显著的，即出现“滞后”现象。此方法可为准确模拟焊接温度场、应力应变场奠定基础。     

感应钎涂中涂层与基体的热耦合效应

目的 研究钎涂中涂层感应热和基体感应热对基体温度场的耦合效应.方法 建立二维有限元模型,研究涂层制备全周期热载荷作用下涂层与基体的温度场变化规律,揭示涂层与基体感应热对基体热影响的耦合作用机制.以钛合金表面感应重熔钛基合金涂层为例,研究涂层和基体感应热耦合作用对基体的热影响,同时,对比研究涂层和基体感应热单独作用对基体...     

基体预热温度对涂层表面形貌及残余应力影响的数值模拟

目的为了更好地研究分析不同的基体预热温度对所制备涂层质量的影响。方法采用求解热传导和能量方程,运用有限体积FVM法、流体体积跟踪法VOF追踪熔滴自由表面,建立熔滴撞击基体的三维几何模型,模拟了层片形成过程,分析不同基体预热温度对层片表面形貌的影响以及熔滴内部液滴形态变化的过程,在上述基础上,继续模拟第2个熔滴撞击在已凝固层片,从而形成涂层,进一步分析了不同基体预热温度对涂层表面形貌和残余应力的影响规律。结果随着基体预热温度的提高,沉积物与基体之间的温度梯度减少,有利于熔滴的铺展,铺展时间变长,气体的排放更顺畅,层片中的孔隙率降低,且层片铺展厚度随温度的提高而逐渐降低,而铺展半径逐渐增大,沉积物形貌更接近圆盘状。随着基体预热温度的提高,最终涂层形貌都是边缘厚、中间薄,但涂层中央的致密程度不断提高,且组织中的孔隙量越来越低。结论基体预热温度需处在一个范围,涂层的残余应力才会有一个最优值,使得涂层与基体有比较好的结合强度。     

Heat Flux Estimation of a Flame Thermal Spray Process Using a Thermally Thin Composite Calorimeter

Temperature measurements take on prime importance in the field of the thermal spray coating since the temperature variation greatly affects the formation of splat morphology and also the coating properties and qualities. The evaluation of the heat flux is therefore essential since temperature variation comes from the energy transfer and conduction of the thermal system. The aim of this study is to estimate the heat flux of a flame thermal spray by solving an inverse heat conduction problem. Firstly, the substrate material and geometry are well designed so that the Biot number is small enough to conform to the lumped capacitance conditions. A lumped capacitance model of a substrate with its coating subjected to a uniform echelon heat flux is evaluated by solving a heat balance equation in the Laplace domain. Then, a thermally thin calorimeter is designed and the experimental thermogram is obtained by embedding a thin-wire micro-thermocouple onto the front and rear faces of the substrate. The forced convective heat transfer coefficient as well as the net incident heat flux density brought to the substrate during the thermal spray process are estimated. The theoretical composite surface temperature is compared to the experimental recording, the result showing a good agreement.     

Ti-6Al-4V基体上等离子喷涂羟基磷灰石涂层的热-力耦合和残余应力

基于热弹塑性理论建立了等离子喷涂羟基磷灰石涂层的热-力耦合模型。一方面,通过引入变形对温度的影响项对经典的Fourier瞬态热传导方程进行了修正,另一方面,在考虑了温度软化效应、应变硬化效应、和应变率强化效应后,采用适用于高温、高应变率条件下的Johnson-Cook模型作为本构方程。基于上述耦合模型,采用有限元方法对涂层内的残余应力场进行了模拟,同时还模拟了基体预热温度以及涂层厚度对残余应力的影响。为了验证数值模拟的可靠性,还采用“材料去除”的实验技术测试了涂层在界面处的残余应力。结果表明：在界面边缘有明显的应力集中;适当提高基体的预热温度有利于减小残余应力;涂层的残余应力随厚度的增加而增大。     

Modeling the Influence of Process Parameters and Additional Heat Sources on Residual Stresses in Laser Cladding

In laser cladding thermal contraction of the initially liquid coating during cooling causes residual stresses and possibly cracks. Preweld or postweld heating using inductors can reduce the thermal strain difference between coating and substrate and thus reduce the resulting stress. The aim of this work is to better understand the influence of various thermometallurgical and mechanical phenomena on stress evolution and to optimize the induction-assisted laser cladding process to get crack-free coatings of hard materials at high feed rates. First, an analytical one-dimensional model is used to visualize the most important features of stress evolution for a Stellite coating on a steel substrate. For more accurate studies, laser cladding is simulated including the powder-beam interaction, the powder catchment by the melt pool, and the self-consistent calculation of temperature field and bead shape. A three-dimensional finite element model and the required equivalent heat sources are derived from the results and used for the transient thermomechanical analysis, taking into account phase transformations and the elastic-plastic material behavior with strain hardening. Results are presented for the influence of process parameters such as feed rate, heat input, and inductor size on the residual stresses at a single bead of Stellite coatings on steel.     

电火花沉积钨涂层的温度场和残余应力有限元模拟

目的 通过模拟钢基体表面电火花沉积钨涂层过程中的熔池区域温度场变化及其残余应力分布,以便更好地理解电火花沉积钨涂层的工艺过程,得到钨涂层成膜过程中的温度场分布和残余应力形成机制.方法 采用电极低速旋转与上下点动相结合的电火花沉积工艺,由点到线、再到面的沉积顺序,在钢基体表面均匀制备抗烧蚀钨涂层.同时,采用ANSYS仿真...     

电火花沉积WC-12Co涂层单脉冲温度场数值模拟

为了确定电火花沉积WC-12Co涂层的温度场,通过选用合适的热源和热边界条件,建立电火花沉积WC-12Co涂层热传导模型. 利用ANSYS有限元软件进行数值模拟,得到了电极材料及工件材料的温度等值面、温度分布曲线以及温度随时间变化曲线. 通过设置温度场等值线确定了材料熔化和气化区域大小. 同时文中研究了工艺参数对熔化和气化区域的影响,并预测最佳工艺参数的范围. 通过电火花沉积试验验证了模拟预测结果的正确性,得到了可以获得良好沉积形貌涂层的最佳工艺参数.     

Thermal Performance and Microstructure of Vacuum Plasma Sprayed Tungsten Coatings under Cyclic Heat Load

采用真空等离子喷涂技术在铜基体表面制备了钨涂层,分别通过NiCrAl和W75Cu25涂层作为中间层。5 MW/m2, 2 s的高热负荷电子束实验表明NiCrAl中间层提高了涂层的热导率并降低了热应力和残余应力值。W75Cu25涂层作为中间层则表现出较差的热疲劳性能。高热负荷电子束真空等离子喷涂钨涂层表现出侵蚀和微裂纹。因热应力导致涂层发生塑性变形,在高温情况下裂纹起源于熔融的钨颗粒,但是,裂纹被钨涂层塑性变形和孔洞所抑制     

轴类件热喷涂涂层残余应力的有限元分析

热喷涂涂层内部的残余应力分布是影响喷涂成形质量和使用性能的重要因素之一.文中基于热喷涂过程的逐层叠加成形的基本假设,利用有限单元法建立了轴类金属基体表面沉积铝涂层的温度场和应力场二维数值模型,研究结果揭示了喷涂涂层温度的波动上升和大量粒子独立快速凝固的典型规律,通过分析残余应力分布行为,发现涂层内部的周向和轴向应力分量最大,皆为拉应力;径向应力分量值远小于周向和轴向应力,应力方向不固定.当涂层不断增厚时,每一薄层的应力受后续沉积薄层的作用发生部分抵消,且残余应力分量值都随着涂层厚度的增加而增大.