為了突破傳統(tǒng)Mo/8YSZ雙層熱障涂層高溫易剝落的技術瓶頸,利用ANSYS有限元軟件建立等離子噴涂Mo/8YSZ功能梯度熱障涂層的數(shù)值模型,考慮材料熱物性參數(shù)隨溫度的變化情況,研究基體、黏結層及陶瓷層的厚度參數(shù)對涂層殘余應力的影響。結果表明:隨著基體厚度的增加,噴涂構件的最大徑向殘余拉應力和最大徑向殘余壓應力均減小;隨著黏結層、過渡層和陶瓷層厚度的增加,最大徑向殘余拉應力增大,最大徑向殘余壓應力減小;殘余壓應力為軸向的主要殘余應力形式,隨著基體厚度的增加,最大軸向殘余壓應力減小,隨著黏結層或過渡層厚度的增加,最大軸向殘余壓應力增大,然而陶瓷層厚度的變化對最大軸向殘余壓應力的影響并不明顯;改變黏結層厚度對基體與涂層界面殘余壓應力的影響更為明顯;基體的厚度在一定范圍內(nèi)對基體與涂層界面殘余應力有影響,當基體厚度增加至12 mm時,隨著基體厚度的增加,徑向殘余應力變化不明顯;隨著基體厚度的增加,應力突變點及應力形式的轉變點逐漸過渡到基體與涂層交界邊緣的上方區(qū)域,隨著黏結層、過渡層或陶瓷層厚度的增加,應力突變點及應力形式的轉變點逐漸過渡到基體與涂層交界中心的下方區(qū)域。通過設計功能梯度熱障涂層,并... 

【文章來源】：航空材料學報. 2020,40(06)北大核心

【文章頁數(shù)】：10 頁

【部分圖文】：

物理模型

圖2給出了等離子噴涂制備功能梯度熱障涂層的有限元（FE）模型。如圖2所示，由于存在多種涂層組元，故在FE模型中，采用不同顏色的單元加以區(qū)分表示，在ANSYS仿真軟件中，選用PLANE13四邊形四節(jié)點熱-力耦合線性2D單元，建立基體表面等離子噴涂功能梯度熱障涂層有限元模型，在等離子噴涂過程中和噴涂結束后的冷卻過程中，由于不同涂層組元的界面及涂層與基材的界面均存在一定程度的應力集中情況，因此為了獲得更真實的計算結果，需將這些區(qū)域的網(wǎng)格做加密處理，網(wǎng)格尺寸為25μm，其他區(qū)域的網(wǎng)格無須加密，網(wǎng)格尺寸為0.2 mm。借助ANSYS仿真軟件強大的“生死單元”功能，將涂層設定為“死”單元，基體設定為“活”單元，依據(jù)“增層模型”模擬涂層單層沉積的過程，其中單層沉積的涂層厚度為50μm。此外為了提高計算效率，在確保主要計算對象的有效性外，需做出相關假設[18-19]:(1）噴槍的有效噴涂區(qū)域覆蓋噴涂構件上表面；（2）不同的涂層組元及涂層與基材均結合緊密；（3）忽略涂層內(nèi)部的微孔隙及氧化帶缺陷。1.3 功能梯度熱障涂層的殘余應力構成

圖3給出了不同結構參數(shù)噴涂構件的最大殘余應力，（+）”表示殘余拉應力，“（-）”表示殘余壓應力。由圖3可看出三種殘余應力的變化規(guī)律：（1）徑向殘余應力。隨著基體厚度的增加，噴涂構件的最大徑向殘余拉應力和最大徑向殘余壓應力均減小，說明增加基體厚度可降低在徑向殘余拉應力作用下涂層內(nèi)部橋狀裂紋的萌生概率和在徑向殘余壓應力作用下產(chǎn)生的涂層翹曲缺陷[]19；隨著黏結層、過渡層和陶瓷層厚度的增加，噴涂構件的最大徑向殘余拉應力增大，最大徑向殘余壓應力減小，其中殘余拉應力的增加是由于熔滴在沉積冷凝的過程中表面收縮，基體或已沉積的涂層對熔滴產(chǎn)生了拉應力的作用。涂層厚度增加的過程，也是粉末熔滴不斷沉積、冷凝和收縮的過程，這就造成了殘余拉應力的不斷增加，隨著殘余拉應力的增大，會進一步增加涂層內(nèi)部垂直于界面橋狀裂紋缺陷的產(chǎn)生概率；隨著殘余壓應力的減小，可減少涂層內(nèi)部分層及翹曲缺陷的產(chǎn)生[]19；當改變黏結層厚度時，在噴涂構件內(nèi)部，徑向殘余拉應力為主要徑向殘余應力形式，說明增加黏結層厚度會使得垂直于基體與涂層界面的橋狀裂紋成為導致涂層失效剝離的主要缺陷形式，然而改變過渡層或陶瓷層厚度時，在噴涂構件內(nèi)部，徑向殘余壓應力為主要徑向殘余應力形式，說明增加過渡層或陶瓷層厚度會使得涂層翹曲成為涂層失效的主要缺陷形式。（2）軸向殘余應力。隨著基體、黏結層、過渡層和陶瓷層厚度的增加，最大軸向殘余拉應力增大，但軸向殘余壓應力仍為主要的殘余應力形式，隨著基體厚度的增加，最大軸向殘余壓應力減小；隨著黏結層和過渡層厚度的增加，最大軸向殘余壓應力增大；隨著陶瓷層厚度的增加，最大軸向殘余壓應力變化不明顯，說明增加基體厚度會降低涂層分層失效的概率，而增加黏結層或過渡層厚度，會使得涂層內(nèi)部產(chǎn)生過大的應力集中。對比發(fā)現(xiàn)，改變陶瓷層厚度對噴涂構件軸向殘余壓應力的影響并不明顯。（3）殘余剪切應力。改變黏結層、過渡層或陶瓷層厚度對殘余剪切應力的影響并不明顯，而增加基體厚度會在一定區(qū)間范圍內(nèi)降低殘余拉應力，當基體厚度增加至12 mm時，隨著基體厚度的增加殘余拉應力變化不明顯。圖4給出了不同結構參數(shù)下Path 1徑向殘余應力的變化曲線，正值為拉應力，負值為壓應力。對比圖4(a）～圖4(d）發(fā)現(xiàn)，基體與涂層界面的殘余應力經(jīng)歷了由殘余壓應力到殘余拉應力的轉變過程，且不同結構參數(shù)對應殘余應力的分布區(qū)間不同：隨著基體厚度的增加，殘余壓應力的分布區(qū)間增大，殘余拉應力的分布區(qū)間減小，且應力形式的轉變點逐漸向界面邊緣轉移，殘余壓應力始終為主要殘余應力，這種應力形式的轉變點附近易萌發(fā)微裂紋，在軸向殘余壓應力的作用下，裂紋極易擴展形成貫穿裂紋，最終造成涂層的剝離失效，說明增加基體厚度會使得界面缺陷的萌生位置向涂層邊緣靠近；隨著黏結層、過渡層或陶瓷層厚度的增加，殘余壓應力的分布區(qū)間減小，殘余拉應力的分布區(qū)間增大，且應力形式的轉變點逐漸遠離界面邊緣，說明增加涂層厚度會導致涂層的失效位置向中心區(qū)域轉移；改變黏結層厚度對基體與涂層界面殘余壓應力的影響更為明顯，當黏結層厚度為0.6～0.8mm時，界面殘余拉應力為主要殘余應力形式，在殘余拉應力的作用下，涂層易產(chǎn)生垂直于界面的橋狀裂紋，這種裂紋會導致涂層開裂，但不會形成貫穿裂紋，相對于平行于界面的層狀裂紋而言更為安全。觀察圖4(a）發(fā)現(xiàn)，在0～5.5 mm的路徑范圍內(nèi)，隨著基體厚度的增加，在路徑同一位置，噴涂構件最大殘余壓應力呈現(xiàn)“減小-增大”的變化趨勢，在距離涂層中心5.5 mm處，基體厚度對涂層殘余應力的影響規(guī)律發(fā)生了轉變，在5.5～9 mm的路徑范圍內(nèi)，隨著基體厚度的增加，在路徑同一位置，最大殘余壓應力增大，觀察圖4(b）～圖4(d）發(fā)現(xiàn)，隨著黏結層、過渡層或陶瓷層厚度的增加，界面的最大殘余壓應力減�。辉诰嚯x涂層邊緣0.5 mm處，存在較大的應力突變，且伴隨著基體厚度的增加，應力突變值減小，隨著黏結層厚度的增加，應力突變值增大，改變過渡層或陶瓷層厚度對界面應力突變情況影響不明顯；基體的厚度在一定范圍內(nèi)影響界面殘余應力，當基體厚度增加至12 mm時，厚度的增加對路徑徑向殘余應力的變化影響減小。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]7A04鋁合金/304不銹鋼連續(xù)驅動摩擦焊及焊后熱處理[J]. 馮健,韓靖,張雪梅,戴光澤,韓月嬌.  焊接學報. 2018(08)
[2]結構對Sm2Ce2O7-YSZ熱障涂層殘余應力及熱沖擊性能的影響[J]. 趙讓乾,趙永濤,張紅松,李剛,李振軍.  中國陶瓷. 2018(05)
[3]等離子噴涂8YSZ涂層在鋁熔體作用下熱沖擊行為的數(shù)值模擬[J]. 謝義英,李強.  表面技術. 2018(04)
[4]7A04鋁合金應力腐蝕敏感性及裂紋萌生與擴展行為[J]. 杜娟,田輝,陳亞軍,王付勝,陳翹楚,褚弘.  材料工程. 2018(04)
[5]基于ANSYS生死單元法的多層等離子噴涂體系仿真[J]. 趙運才,張佳茹,何文.  金屬熱處理. 2017(12)
[6]Sm2Ce2O7/YSZ功能梯度熱障涂層的殘余熱應力[J]. 張昊明,李振軍,�，|瑋,李剛,張紅松,晁明舉.  表面技術. 2017(09)
[7]Sm2Ce2O7/8YSZ熱障涂層殘余熱應力及隔熱性能計算機模擬[J]. 文政穎,時蕾,陳曉鴿,張紅松.  中國陶瓷. 2015(08)
[8]7A04-T6鋁合金水下攪拌摩擦焊接接頭的組織和性能[J]. 徐瑞琦,王文,郝亞鑫,喬柯,李天麒,王快社.  航空材料學報. 2015(04)
[9]6013鋁合金平面熱壓縮流變應力曲線修正與本構方程[J]. 肖罡,李落星,葉拓.  中國有色金屬學報. 2014(05)
[10]7A04鋁合金熱變形過程微觀組織演變[J]. 肖艷紅,郭成,郭小艷.  塑性工程學報. 2012(03)

博士論文
[1]航空鋁合金殘余應力消除及評估技術研究[D]. 王秋成.浙江大學 2003

碩士論文
[1]氧化鋯陶瓷室溫壓入力學行為研究[D]. 孫瑞敬.太原理工大學 2016
[2]等離子噴涂8YSZ熱障涂層力學性能與斷裂行為研究[D]. 王騰.福州大學 2016
[3]超音速火焰噴涂鐵基非晶涂層熱應力數(shù)值模擬[D]. 郭崇波.南昌航空大學 2015
[4]8YSZ熱障涂層隔熱性能及熱沖擊性能的數(shù)值研究[D]. 凌錫祥.上海交通大學 2015
[5]熱障涂層殘余應力測定和預處理工藝對熱生長氧化物的影響[D]. 劉徹.天津大學 2014
[6]等離子噴涂8YSZ熱障涂層沉積過程累積應力的數(shù)值模擬[D]. 田甜.福州大學 2013
[7]快速凝固技術中激冷輥材的熱疲勞性能研究[D]. 魯帥.北京有色金屬研究總院 2012
[8]等離子噴涂HA涂層殘余應力的研究[D]. 郭天旭.北京工業(yè)大學 2010
[9]等離子噴涂納米結構熱障涂層組織結構與殘余應力分析[D]. 王亮.哈爾濱工業(yè)大學 2008
[10]熱噴涂涂層中應力研究與分析[D]. 羅瑞強.武漢理工大學 2008



本文編號：3010569