發(fā)布時(shí)間：2021-01-25 03:18

　　TiAlN涂層由于具有硬度高、熱硬性好、附著力強(qiáng)、氧化溫度高、摩擦系數(shù)小、導(dǎo)熱率低等優(yōu)良特性,被廣泛用于刀具的保護(hù)涂層。然而,由于涂層和基體的熱膨脹系數(shù)不同等原因常常在涂層中引入殘余應(yīng)力,并且殘余應(yīng)力與服役載荷共同作用,常常導(dǎo)致涂層過早失效。因此,深刻認(rèn)識(shí)、定量表征TiAlN涂層在不同服役環(huán)境下的殘余應(yīng)力,是獲得刀具最佳性能并提高其使用壽命的重要保障。本文首先探討了TiAlN涂層殘余應(yīng)力拉曼光譜法測(cè)量的關(guān)鍵問題,并使用紅外熱成像儀測(cè)量了不同主軸轉(zhuǎn)速、不同進(jìn)給速度、不同軸向和徑向切深下的切屑溫度,在此基礎(chǔ)上確定了TiAlN涂層樣品循環(huán)熱沖擊的設(shè)定溫度。實(shí)驗(yàn)顯示,TiAlN涂層刀具在中速銑削過程中其切屑溫度隨主軸轉(zhuǎn)速的增加線性降低、隨進(jìn)給速度和軸向切深的增加而線性增加;TiAlN涂層刀具在中速銑削加工中的最高熱沖擊溫度在375℃附近。本文分別測(cè)量了不銹鋼、高速鋼兩種基底的TiAlN涂層樣品經(jīng)歷375℃、700℃兩種溫度下的不同次數(shù)熱沖擊后的表面殘余應(yīng)力,討論了TiAlN涂層中的表面殘余應(yīng)力隨熱沖擊次數(shù)的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,沉積在不銹鋼、高速鋼基底上的TiAlN涂層中存在拉伸殘余應(yīng)力,涂... 

【文章來(lái)源】： 薛凱 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)

【文章頁(yè)數(shù)】：58 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

涂層失效形式

2生的殘余應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致基體的曲率發(fā)生變化，通過曲率的變化反推殘余應(yīng)力的大小，一般采用Stoney公式（1-1）計(jì)算殘余應(yīng)力。公式中的下標(biāo)f對(duì)應(yīng)涂層、s對(duì)應(yīng)基底、t為涂層和基底的厚度、r為曲率半徑、E和v分別是基底的彈性模量和泊松比。2sfsft=16rtE（）（1-1）圖1-2基底涂層撓曲示意圖曲率檢測(cè)技術(shù)被廣泛用于各種薄膜與涂層結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力測(cè)量：王等[12]使用曲率法測(cè)量了涂層殘余應(yīng)力隨溫度的變化曲線，通過不同類型基底材料與鎳鈦涂層熱膨脹系數(shù)的不同計(jì)算出了不同涂層材料的殘余應(yīng)力，探究了基材約束下鎳鈦形狀記憶合金膜的馬氏體轉(zhuǎn)變行為和尺度效應(yīng)。邸等[13]使用曲率法測(cè)量了基體孔隙率和摻雜濃度對(duì)多孔硅涂層的殘余應(yīng)力的影響，發(fā)現(xiàn)隨著孔隙率的增加和硼離子摻雜濃度的增加，多孔硅表面的張力逐漸響應(yīng)升高，表明多孔硅膜的微觀結(jié)構(gòu)與殘余應(yīng)力的大小密切相關(guān)。石等[14]使用曲率法對(duì)SUS304基底上不同厚度的Ti涂層和TiN涂層進(jìn)行了正測(cè)法和背測(cè)法測(cè)量，得到了兩種涂層基底的曲率半徑，采用Stoney公式計(jì)算涂層殘余應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)當(dāng)涂層殘余應(yīng)力水平較高(＞1GPa)時(shí)，背測(cè)法結(jié)果可以如實(shí)反映涂層的應(yīng)力水平；但當(dāng)涂層應(yīng)力水平較低(＜1GPa)時(shí)，背測(cè)法結(jié)果存在較大誤差。虞等[15]使用曲率法與有限元分析結(jié)合的方式測(cè)量研究了微機(jī)電系統(tǒng)涂層的殘余應(yīng)力，研究表明修正后的Stoney公式在很大程度上提高涂層殘余應(yīng)力的測(cè)量精度，使曲率測(cè)量技術(shù)的適用范圍得到較大擴(kuò)展，但當(dāng)涂層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大變形時(shí)計(jì)算精度會(huì)受到影響，另外有限元的方法存在曲率空間分布不均的問題。楊[15]等使用曲率法測(cè)量了電聲學(xué)器件涂層的殘余應(yīng)力，結(jié)果表面二氧化硅熱氧化物層的上下電極層均存在時(shí)殘余應(yīng)力較大，并通過調(diào)整熱氧化二氧化硅層的厚度優(yōu)化器件復(fù)合膜片?

3底曲率的變化，該變化對(duì)應(yīng)于整個(gè)涂層中的平均應(yīng)力[17]，對(duì)于局部殘余應(yīng)力的測(cè)量無(wú)能為力，更無(wú)法用于涂層結(jié)構(gòu)在實(shí)際服役過程中的殘余應(yīng)力演化的測(cè)量。1.2.2.鉆孔檢測(cè)技術(shù)鉆孔檢測(cè)技術(shù)又稱盲孔法或套孔法，其原理是將特制箔式應(yīng)變片粘貼在涂層表面上，在應(yīng)變片中心鉆一個(gè)直徑和深度接近的小孔，產(chǎn)生局部應(yīng)力釋放，釋放的應(yīng)變可通過連接各個(gè)應(yīng)變片的應(yīng)變儀讀取出來(lái)[16]，實(shí)物如圖1-3所示。圖1-3試件鉆孔處（左）、應(yīng)變測(cè)試儀（右）戴等人[18]通過使用莫爾干涉測(cè)量法測(cè)量的位移信息來(lái)代替變形儀測(cè)量的變形信息，從而使用便攜式鉆孔系統(tǒng)確定了殘余應(yīng)力，同時(shí)測(cè)量了鋁合金激光焊接試件和焊縫的殘余應(yīng)力以及接縫中心的殘余應(yīng)力值。歐陽(yáng)等人[20]使用彈塑性理論研究了通過鉆孔測(cè)量殘余應(yīng)力變化，研究了彈性極限和被分析樣品的應(yīng)力場(chǎng)對(duì)鉆孔的附加應(yīng)力的影響。得到了附加變形的一般表達(dá)式，發(fā)現(xiàn)鉆孔引入的附加變形與被分析樣品的原始?xì)堄鄳?yīng)力隨應(yīng)力水平的增加而增加，當(dāng)壓縮應(yīng)力減小到某個(gè)臨界值σ時(shí)，附加的穿孔會(huì)變形坍縮，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Ly12鋁合金（新牌號(hào)2A12）的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果一致。劉等人[21]使用鉆孔方法測(cè)量了汽車制動(dòng)鼓的殘余張力，得到了120個(gè)制動(dòng)鼓鑄件的殘余應(yīng)力。并發(fā)現(xiàn)通過使用輔助設(shè)備將鉆孔工具放置在鉆孔中，可以確保測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性。楊等人[22]使用鉆孔測(cè)量法研究了等離子噴涂熱障涂層的殘余應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)了對(duì)基板進(jìn)行預(yù)熱可以顯著降低陶瓷頂層內(nèi)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。通過鉆孔法測(cè)量涂層中的殘余應(yīng)力將其與模擬結(jié)果進(jìn)行定量比較，通過有限元模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的結(jié)果吻合良好。通過閱讀文獻(xiàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)鉆孔法的測(cè)量會(huì)對(duì)連同基底和涂層一起進(jìn)行一定程度的破壞，在測(cè)量的過程中就會(huì)引入影響測(cè)量結(jié)果的其他殘余應(yīng)力[23]，甚至直接


本文編號(hào)：2998456