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热障涂层中界面形貌对涂层系统中应力影响的研究

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热障涂层中界面形貌对涂层系统中应力影响的研究

作者：丁艳霞吉林大学

学位级别：硕士

随着工业生产的迅速发展,对热端部件使用温度的要求越来越高。而单纯靠采用新的热端部件制造材料来提高其使用温度已经变得不是十分可行。所以,近年来,陶瓷热障涂层的研究得到了广泛的重视。但是由于基体金属与陶瓷涂层的热膨胀系数差... 详细信息

随着工业生产的迅速发展,对热端部件使用温度的要求越来越高。而单纯靠采用新的热端部件制造材料来提高其使用温度已经变得不是十分可行。所以,近年来,陶瓷热障涂层的研究得到了广泛的重视。但是由于基体金属与陶瓷涂层的热膨胀系数差别很大,两者之间存在着明显的应力不匹配,从而造成涂层寿命的不可靠性。已有的研究表明,材料所承受的热载荷、长时间高温环境下的蠕变以及热障涂层的几何形貌等等都对涂层寿命产生影响。为了专门研究热障涂层界面形貌对涂层中应力的影响,本论文以等离子法喷涂的双层结构热障涂层为研究对象,并以不同的函数来模拟涂层的几何形貌,应用有限元分析软件ANSYS来对在热载荷单独作用和热-机载荷联合作用下的热障涂层系统中的节点应力进行数值模拟。通过对模拟计算结果的分析和讨论,发现涂层中的应力分布及数值会随着界面形貌的不同而有很大的不同。由此可见,界面形貌对热障涂层中应力的影响是不容忽视的。这些结论为热障涂层界面造型提供了理论支持,也为热障涂层界面的优化提供了指导意见。

关键词：热障涂层界面形貌涂层应力数值模拟

基于振动时效技术消除和控制涂层内应力的工艺研究

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机电工程技术 2017年第5期46卷 29-32页

作者：冯安平金成罗庚兴佛山职业技术学院广东佛山528137 西安交通大学机械制造系统国家重点实验室陕西西安710049

以ZnAl合金和3Cr13合金材料制备电弧喷涂涂层样件,制定振动时效工艺方案,进行电弧喷涂涂层振动时效工艺和振动时效效果的研究。实验结果表明:振动时效能有效降低涂层内应力水平,并均化涂层内应力分布,振动处理后ZnAl合金涂层内应力最多... 详细信息

以ZnAl合金和3Cr13合金材料制备电弧喷涂涂层样件,制定振动时效工艺方案,进行电弧喷涂涂层振动时效工艺和振动时效效果的研究。实验结果表明:振动时效能有效降低涂层内应力水平,并均化涂层内应力分布,振动处理后ZnAl合金涂层内应力最多降低49.7%,3Cr13涂层内应力最多降低40.5%。

关键词：电弧喷涂振动时效涂层应力工艺方案

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波前传感器电铸镍层应力实时检测精度评估

表面技术 2020年第9期49卷 357-363,377页

作者：罗坤杰蒋炳炎强军董彦灼柴思佳中南大学机电工程学院高性能复杂制造国家重点实验室长沙410083

目的搭建电铸应力实时检测平台,评估其测量精度,并探明电化学沉积过程中镍层平均内应力的变化规律。方法采用横向剪切波前传感器搭建电铸应力实时检测平台,通过测量在铸层应力作用下电铸基底弯曲的曲率半径,利用Stoney公式计算铸层平均... 详细信息

目的搭建电铸应力实时检测平台,评估其测量精度,并探明电化学沉积过程中镍层平均内应力的变化规律。方法采用横向剪切波前传感器搭建电铸应力实时检测平台,通过测量在铸层应力作用下电铸基底弯曲的曲率半径,利用Stoney公式计算铸层平均应力。采用参考球面反射镜评估横向剪切波前传感器曲率半径的测量精度,并在0.5 A/dm^2电流密度下进行电铸应力实时检测实验,对铸层平均应力测量极限进行评估,同时对检测误差进行分析。结果横向波前传感器曲率半径测量精度为99.22%,在0.5 A/dm^2电流密度下,所搭建的铸层应力实时检测平台可测量的最小厚度为5.1μm,由曲率测量波动带来的应力检测误差为1.3 MPa。实验测得铸层平均应力随铸层厚度的增加而变大,当铸层厚度达到30μm左右,铸层平均应力趋于稳定,应力大小为79.7 MPa。同时发现,当铸层厚度小于30μm时,沿电铸基底长度方向的铸层平均应力明显大于宽度方向铸层平均应力,随铸层厚度的增加,两个方向的应力大小趋于等值。结论采用横向剪切波前传感器搭建的电铸应力检测平台,能有效对铸层应力进行高精度的实时测量,为精密电铸过程中应力变化规律的研究提供了检测技术基础。

关键词：电化学沉积精密电铸涂层应力实时检测 Stoney公式横向剪切波前传感器

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风机叶片涂层雨蚀研究

应用力学学报 2020年第1期37卷 403-410,I0028,I0029页

作者：桂永强倪爱清王继辉武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室武汉430070 武汉理工大学材料学院武汉430070

研究了风电叶片在雨水冲击下的失效过程,利用有限元方法建立雨水冲击的数值模型,分析了雨滴的冲击角度、直径、涂层性能等对涂层受力的影响,并对双雨滴及四雨滴耦合模型进行了研究。结果表明:风雨耦合流场中叶片最大载荷在叶尖处,涂层... 详细信息

研究了风电叶片在雨水冲击下的失效过程,利用有限元方法建立雨水冲击的数值模型,分析了雨滴的冲击角度、直径、涂层性能等对涂层受力的影响,并对双雨滴及四雨滴耦合模型进行了研究。结果表明:风雨耦合流场中叶片最大载荷在叶尖处,涂层的冲击受力与雨滴冲击角度和雨滴直径的大小呈正相关。低模量涂层能大幅降低涂层受冲击时的拉伸应力,小幅增加其压缩应力。同一平面内的双雨滴耦合时,拉伸应力受影响的范围较大,压缩应力受影响的范围较小。不同高度差下的双雨滴耦合中,随着高度差的增大,材料拉伸和压缩应力都呈现先增后减的趋势,其中压缩应力随高度差的变化幅度明显大于拉伸应力。四雨滴耦合时压缩应力对间距的变化更加敏感。涂层失效的过程主要为:涂层表面拉应力疲劳产生微裂纹;液压渗透引起裂纹扩展,涂层质量减少,表面粗糙度增加;表面小范围破坏后形成的凹面结构促进涂层的失效。

关键词：雨蚀雨滴耦合涂层应力冲击失效机理

真空熔覆WC-10Ni/NiCrBSi复合涂层的力学性能建模及工程应用

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真空熔覆WC-10Ni/NiCrBSi复合涂层的力学性能建模及工程应用

作者：何力江苏科技大学

学位级别：硕士

本课题将真空熔覆技术与柔性“涂层布”技术结合,采用合适的钎焊工艺参数在Q235基体表面制备了WC-10Ni/NiCrBSi复合涂层。采用金相显微镜、扫描电镜、能谱分析仪及X射线衍射仪研究了该复合涂层的显微组织、元素分布、相组成和断口形貌,... 详细信息

本课题将真空熔覆技术与柔性“涂层布”技术结合,采用合适的钎焊工艺参数在Q235基体表面制备了WC-10Ni/NiCrBSi复合涂层。采用金相显微镜、扫描电镜、能谱分析仪及X射线衍射仪研究了该复合涂层的显微组织、元素分布、相组成和断口形貌,并测量了涂层与基体结合层宽度L。利用图像处理软件ImageJ对涂层的WC晶粒度dwc、涂层孔隙率φ和孔隙平均面积S进行了测量,并计算了碳化钨颗粒邻接度C。根据以往的理论模型并结合本课题涂层实际情况,提出了相应的剪切强度、表面洛氏硬度和截面维氏硬度HV10数学模型。采用洛氏硬度计、显微硬度计、电子万能试验机对涂层的表面洛氏硬度、截面维氏硬度HV10及剪切强度进行测定,与数学模型计算值进行了对比。结果表明:剪切强度、表面洛氏硬度和截面维氏硬度HV10数学模型值与实际值较吻合,剪切强度数学模型值与实际值最大误差为2.3%,最小误差为2.1%。简化型剪切强度数学模型值与实际值最大误差为4.4%,最小误差为1.3%。表面洛氏硬度数学模型值与实际值最大误差为0.5%,最小误差为0.2%。截面维氏硬度HV10数学模型值与实际值最大误差为8.6%,最小误差为0.2%。因此,上述数学模型能够较好的满足工程实际计算的需要。利用轮廓法对涂层内部应力进行检测,结果表明:涂层内部应力沿厚度方向变化梯度较大,在焊件的底部均是压应力,并沿着厚度方向转化成拉应力,在涂层与基体结合层处(20mm),又迅速转化成压应力,涂层表面处承受较大的压应力。对管状试件的立焊工艺进行了探索,主要研究了WC质量分数和“柔性涂层布”的叠放方式对立焊的影响。结果表明:当WC质量分数超过50%时,采用WC布在外,NiCrBSi涂层布在内的双层布形式能实现管状工件的涂层熔覆;当WC质量分数低于50%时,宜采用单层WC金属布的方式。利用本课题的真空熔覆柔性“涂层布”技术对某企业的实际工程产品进行了表面改性。采用上述钎焊工艺可成功实现WC质量分数为30%和40%的单层布的钻头表面改性。钻头表面涂层成型美观,与基体达到了冶金结合。单层布中WC质量分数较低时(少于30%),涂层表面成型较差。当WC质量分数较高时(超过45%),涂层与钻头表面润湿反应较差,无法形成有效的冶金结合。

关键词： WC-10Ni/NiCrBSi复合涂层剪切强度硬度数学模型涂层应力立焊

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基于划痕法TiN涂层摩擦接触失效机理研究

基于划痕法TiN涂层摩擦接触失效机理研究

作者：薛雷湘潭大学

学位级别：硕士

目前,表面涂层技术已成为提高材料抗疲劳和抗磨损性能的重要手段。许多零部件,例如刀具、齿轮和轴承等,通过表面涂层,改善接触性能。但由于涂层制造过程中不可避免的缺陷以及涂层基体之间弹性参数不连续性,在接触应力作用下涂层结构易... 详细信息

目前,表面涂层技术已成为提高材料抗疲劳和抗磨损性能的重要手段。许多零部件,例如刀具、齿轮和轴承等,通过表面涂层,改善接触性能。但由于涂层制造过程中不可避免的缺陷以及涂层基体之间弹性参数不连续性,在接触应力作用下涂层结构易产生裂纹,随着裂纹的扩展,引起涂层的剥落而造成零件的失效。为满足涂层结构在工程应用中的可靠性要求,需要研究在摩擦接触条件下涂层结构的失效机理。本文主要完成了以下工作:1利用等离子辅助化学气相沉积技术制备厚度为10μm的氮化钛涂层,其基体为高速钢。利用显微硬度仪测量得到涂层的硬度约为2000HV000HV,利用纳米压痕仪测量得到涂层的弹性模量和断裂韧度分别为590GPa和3.30MPa·1/2m。划痕法本质上属于摩擦接触问题,可通过扫描电镜对涂层划痕表面进行观察与分析,结果表明在涂层表面产生了平均间距约为5.1μm弧形裂纹,同时测得涂层表面的摩擦系数约为0.25。2利用有限元软件对压头在涂层表面的滑动过程进行模拟,获得了压入阶段与滑动阶段的应力云图和涂层中应力的变化曲线,分析了涂层中应力的分布特点;根据涂层中应力分布规律,分析了裂纹可能产生的原因以及裂纹可能产生的位置。3根据扩展有限元理论,应用ABAQUS有限元软件模拟了球形压头在涂层表面的滑动过程中涂层裂纹的产生与扩展。模拟结果表明:压入阶段,涂层界面首先产生裂纹,并沿着厚度向表面扩展;滑动阶段,涂层表面与界面出现大量裂纹,亚表面有少量裂纹产生;涂层表面裂纹和界面裂纹主要是最大拉应力引起的Ⅰ型裂纹。通过模拟压头在涂层表面的往复滑动,结果表明涂层表面裂纹在应力作用下将向界面扩展,而涂层界面裂纹向表面扩展,最终形成贯穿裂纹,导致涂层的剥落。上述结果为涂层的工程应用以及涂层结构优化设计提供了依据。

关键词：涂层应力裂纹扩展有限元方法