【摘要】：再制造工程作為一項(xiàng)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè),是針對廢舊產(chǎn)品進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化的高技術(shù)修復(fù)、改造,能夠極大提高資源利用率,起到資源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)的效果。通過先進(jìn)表面工程技術(shù)制備的再制造涂層可具有良好的耐磨、耐腐蝕和耐高溫性能,被廣泛應(yīng)用于航空航天、精密機(jī)床、冶金礦山、石油化工等高端裝備中。再制造涂層/基材作為一種復(fù)雜的材料結(jié)構(gòu)體系,其界面兩側(cè)異質(zhì)材料的力學(xué)性能差異大,在高溫高壓、疲勞重載等環(huán)境服役過程中界面容易出現(xiàn)應(yīng)力集中和裂紋擴(kuò)展,開展相關(guān)的涂層界面損傷檢測與評估對高端裝備安全服役運(yùn)行具有重要意義。自發(fā)漏磁檢測作為一種新興的無損檢測方法,能夠利用鐵磁性材料的自發(fā)磁化現(xiàn)象對構(gòu)件早期損傷程度進(jìn)行有效評估。但是,由于涂層/基材結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性和材料的非勻質(zhì)性,導(dǎo)致界面處的應(yīng)力場分布十分復(fù)雜,裂紋尖端存在應(yīng)力奇異和屈服等問題,因此僅僅依靠傳統(tǒng)的力磁本構(gòu)關(guān)系很難有效描述界面損傷的自發(fā)漏磁演化規(guī)律。本文利用彈塑性斷裂力學(xué)中的內(nèi)聚力概念,對經(jīng)典的Jiles磁機(jī)械模型進(jìn)行改進(jìn),建立適用于涂層界面損傷評估的內(nèi)聚力-磁機(jī)械耦合模型,揭示界面自發(fā)磁化的物理機(jī)制;并結(jié)合典型三點(diǎn)彎曲載荷形式和高溫服役環(huán)境詳細(xì)開展了涂層界面應(yīng)力集中和裂紋的自發(fā)漏磁評估研究,最終形成一套再制造涂層界面損傷自發(fā)漏磁評估方法。主要研究內(nèi)容包括以下五個(gè)方面:(1)采用彈塑性斷裂力學(xué)中的內(nèi)聚力模型描述涂層界面損傷時(shí)的自發(fā)磁化現(xiàn)象,將內(nèi)聚力區(qū)域中的牽引力σ作為中間變量與經(jīng)典的Jiles應(yīng)力磁化本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行結(jié)合;同時(shí)考慮疲勞內(nèi)聚力損傷演化法則,分別建立靜態(tài)和疲勞載荷作用下的內(nèi)聚力-磁機(jī)械耦合模型,并給出模型的自發(fā)漏磁數(shù)值計(jì)算方法。為了驗(yàn)證模型的有效性,對疲勞拉伸試樣的涂層界面裂紋萌生時(shí)機(jī)進(jìn)行預(yù)測,得到界面預(yù)制開口處內(nèi)聚力單元的疲勞牽引力-位移關(guān)系曲線、損傷演化規(guī)律以及磁化累積過程;并且理論計(jì)算得到的裂紋萌生磁場強(qiáng)度閾值與試驗(yàn)測量的結(jié)果一致。最后從微觀組織角度闡明了界面內(nèi)聚力區(qū)域自發(fā)磁化產(chǎn)生的物理機(jī)制。(2)基于力學(xué)模型中常見的梁理論,給出涂層界面應(yīng)力計(jì)算通式,結(jié)合Jiles應(yīng)力磁化本構(gòu)關(guān)系,建立梁理論-磁機(jī)械耦合模型。針對典型三點(diǎn)彎曲載荷作用形式,通過計(jì)算得到涂層界面應(yīng)力和剩余磁化的分布規(guī)律,并提取支撐位置處的磁場強(qiáng)度峰值來量化表征界面裂紋擴(kuò)展長度。然后基于所建立的靜態(tài)內(nèi)聚力-磁機(jī)械耦合模型,通過ABAQUS有限元仿真同樣得到了界面裂紋擴(kuò)展長度與磁場強(qiáng)度特征值之間的量化關(guān)系。最后通過自發(fā)漏磁無損檢測技術(shù),采集并分析了涂層界面的磁場信號變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)與兩種模型理論計(jì)算的結(jié)果一致,并且內(nèi)聚力-磁機(jī)械耦合模型預(yù)測界面裂紋長度更為精確。(3)基于所建立的疲勞內(nèi)聚力-磁機(jī)械耦合模型,針對典型三點(diǎn)彎曲疲勞載荷形式,利用ABAQUS有限元仿真得到了涂層界面應(yīng)力分布規(guī)律及其初始張開位移。通過數(shù)值計(jì)算給出界面預(yù)制開口處的內(nèi)聚力單元疲勞牽引力-位移關(guān)系曲線、損傷演化規(guī)律以及磁化累積過程。在此基礎(chǔ)上對界面疲勞裂紋的萌生時(shí)機(jī)和擴(kuò)展行為進(jìn)行預(yù)測,并進(jìn)一步提出利用磁場增長速度dHmax/dN這一特征值來表征裂紋擴(kuò)展速度。最后通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)對理論分析的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,為涂層界面疲勞裂紋的自發(fā)漏磁評估提供指導(dǎo)。(4)考慮高溫環(huán)境對涂層界面自發(fā)漏磁檢測結(jié)果帶來的影響,將經(jīng)典J-A模型中的飽和磁化強(qiáng)度Ms和平均場參數(shù)α進(jìn)行修正,建立單一均質(zhì)材料的熱/力/磁耦合模型,然后將模型推廣到涂層界面對象,并對原先的內(nèi)聚力-磁機(jī)械耦合模型進(jìn)行高溫修正。根據(jù)熱/力/磁耦合模型的理論計(jì)算以及不同溫度下鐵磁性材料的靜載拉伸試驗(yàn),探討自發(fā)漏磁信號隨應(yīng)力和溫度的變化規(guī)律。通過觀察斷口微觀組織結(jié)構(gòu),從夾雜物阻礙磁疇運(yùn)動(dòng)的角度揭示了溫度對磁信號的影響機(jī)制。最后根據(jù)理論和試驗(yàn)的結(jié)果對不同高溫狀態(tài)下涂層界面損傷的自發(fā)漏磁信號進(jìn)行修正,保證了高溫環(huán)境下評估結(jié)果的準(zhǔn)確性。(5)為了將所建立的內(nèi)聚力-磁機(jī)械耦合模型應(yīng)用于再制造涂層界面損傷自發(fā)漏磁評估中,首先對模型在不同服役環(huán)境中的應(yīng)用策略進(jìn)行總結(jié)。然后以再制造冶金復(fù)合滑板為應(yīng)用案例,選擇合適的等離子堆焊工藝參數(shù)進(jìn)行制備,簡化載荷作用形式。利用ABAQUS有限元仿真得到三點(diǎn)彎曲載荷作用下的應(yīng)力分布規(guī)律,確定危險(xiǎn)區(qū)域;并將靜力學(xué)分析結(jié)果導(dǎo)入FE-SAFE疲勞分析軟件中,得到復(fù)合滑板疲勞壽命�；诜抡娼Y(jié)果,利用內(nèi)聚力-磁機(jī)械耦合模型對復(fù)合滑板界面處的疲勞裂紋萌生時(shí)機(jī)和擴(kuò)展長度進(jìn)行預(yù)測。針對再制造復(fù)合滑板加速疲勞試驗(yàn),設(shè)計(jì)了一套自發(fā)漏磁無損檢測工裝夾具,并將試驗(yàn)與理論結(jié)果進(jìn)行比較,最終形成一套再制造復(fù)合滑板界面損傷自發(fā)漏磁評估方法。
【學(xué)位授予單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TB302.5
【圖文】：

．ｉ邋｜測試邐｜裝配｜邋｜評估｜邋｜加工｜逡逑圖１．２再制造的主要流程逡逑Ｆｉｇ邋１．２邋Ｐｒｏｃｅｓｓ邋ｏｆ邋ｒｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ逡逑１．２再制造涂層逡逑１．２．１常見的涂層制備方法逡逑目前激光熔覆、等離子堆焊和超音速火焰噴涂是最為常見的幾種利用“尺寸恢逡逑復(fù)法”來制備涂層的再制造方式，如圖１．３所示，被廣泛應(yīng)用于航空航天、精密機(jī)逡逑床、石油化工等氋端裝備的關(guān)鍵構(gòu)件再制造中１９）。逡逑ｍ逡逑（ａ）激光熔覆邐（ｂ）等離子堆焊邐（ｃ）超音速火焰噴涂逡逑圖１．３常見的再制造涂層制備方法逡逑Ｆｉｇ邋１．３邋Ｃｏｍｍｏｎ邋ｃｏａｔｉｎｇ邋ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ邋ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ邋ｉｎ邋ｒｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ逡逑這些再制造工藝方法都是利用激光、等離子體、高溫火焰等能量束作為熱源，逡逑將合金粉末或絲材加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，并在基材表面進(jìn)行原位冶金熔化或逡逑３逡逑

１．２．１常見的涂層制備方法逡逑目前激光熔覆、等離子堆焊和超音速火焰噴涂是最為常見的幾種利用“尺寸恢逡逑復(fù)法”來制備涂層的再制造方式，如圖１．３所示，被廣泛應(yīng)用于航空航天、精密機(jī)逡逑床、石油化工等氋端裝備的關(guān)鍵構(gòu)件再制造中１９）。逡逑ｍ逡逑（ａ）激光熔覆邐（ｂ）等離子堆焊邐（ｃ）超音速火焰噴涂逡逑圖１．３常見的再制造涂層制備方法逡逑Ｆｉｇ邋１．３邋Ｃｏｍｍｏｎ邋ｃｏａｔｉｎｇ邋ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ邋ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ邋ｉｎ邋ｒｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ逡逑這些再制造工藝方法都是利用激光、等離子體、高溫火焰等能量束作為熱源，逡逑將合金粉末或絲材加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，并在基材表面進(jìn)行原位冶金熔化或逡逑３逡逑

當(dāng)再制造涂層受到外界硬顆粒物或者對磨表面上的硬突起物摩擦作用時(shí)，會逡逑導(dǎo)致涂層表面材料脫落形成磨粒磨損。這些脫落的磨粒會參與后續(xù)的摩擦過程，在逡逑涂層表面產(chǎn)生微小的擦傷或犁溝痕跡，如圖１．４（ａ）所示。例如挖掘機(jī)的犁耙、鏟齒、逡逑水輪機(jī)葉片、球磨機(jī)襯板等的磨損都屬于典型的磨粒磨損；機(jī)床導(dǎo)軌面由于切屑的逡逑存在也會引起磨粒磨損｜ｉ２］。隨著摩擦磨損過程的進(jìn)行，涂層表面溫度逐漸上升形逡逑成氧化膜，此時(shí)磨痕出現(xiàn)點(diǎn)蝕特征。如果涂層繼續(xù)受到長時(shí)間的重載高速摩擦作用，逡逑由黏著效應(yīng)形成的黏著結(jié)點(diǎn)會在摩擦副相對位移作用下發(fā)生剪切斷裂，從而造成逡逑磨屑脫落，由一個(gè)表面遷移到另一個(gè)表面。此時(shí)磨屑數(shù)量急劇增大，涂層表現(xiàn)出金逡逑屬光澤且變得粗糙，涂層的摩擦磨損機(jī)制將從磨粒磨損轉(zhuǎn)化為黏著磨損，磨損程度逡逑不斷加劇，如圖１．４（ｂ）所示。當(dāng)剪切破壞發(fā)生在涂層較深位置處，此時(shí)磨損己經(jīng)十逡逑分嚴(yán)重，容易形成膠合磨損，甚至摩擦副之間咬死而導(dǎo)致涂層徹底失效。逡逑

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本文編號：2750166