《热喷涂涂层中应力研究与分析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《热喷涂涂层中应力研究与分析（74页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、武汉理工大学 硕士学位论文 热喷涂涂层中应力研究与分析 姓名：罗瑞强 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：章桥新 20080401 摘要 近年来，随着新工艺和新材料的不断被开发和应用，热喷涂涂层正在越来 越多的领域发挥着耐腐蚀、耐磨损、耐高温等作用，极大地提高了零件的使用 寿命。但是，热喷涂过程中由于涂层与基体之间存在较大的温度梯度和物理特 性差异而造成的残余应力，使涂层容易发生断裂、翘曲、分层等失效，严重地 影响涂层的使用寿命。因此，热喷涂涂层中残余应力的研究有着十分重要的意 义。 利用有限元方法对热喷涂陶瓷金属涂层的制备过程中由于温度差与材料热 膨胀系数差异而在涂层内部产生的
2、残余应力进行了系统的模拟与分析。研究内 容包括单个喷涂熔滴由熔点温度，高速撞击碳钢基体表面沉积凝固后残余应力 的情况及基体预热温度、熔滴碰撞速度对残余应力的影响；双层涂层中涂层的 厚度、加入中间层及其厚度对残余应力的影响及规律；梯度涂层中的体积分布 指数、涂层厚度对残余应力的影响及规律；基于悬臂梁理论的涂层内部应力公 式的修正。 结果表明：提高基体的预热温度能够降低熔滴在基体表面沉积凝固后界面 处的应力水平，但不能改变应力的分布形态；由于熔滴粒度很小，其碰撞速度 对界面处的应力影响不大。陶瓷金属双层涂层由于涂层的热膨胀系数要小于基 体的热膨胀系数，在基体中主要产生径向拉应力而在涂层内部主要产生
3、径向压 应力。界面是最薄弱的区域，其边缘处存在较大的应力集中，且最大应力值随 着涂层厚度的增加而增加。加入一定厚度的中间过渡层能够降低涂层内部的最 大应力值。 陶瓷体积分数按f = X m 幂指数形式从纯金属过渡到纯陶瓷的梯度涂层，由 于指数m 的增大减小了涂层与基体界面处的物性差异，使基体与涂层界面处的 径向拉应力减小，而加大靠近涂层表面处陶瓷体积的突变使表面处的压应力增 大。涂层内部产生应力集中的位置从界面附近随指数i n 的增大沿厚度方向向涂 层表面转移。涂层厚度的增加导致涂层内部温度梯度加大，使界面处的应力增 大，表面处的应力减小。涂层与基体厚度比越大，基于悬臂梁理论的涂层应力 误差越
4、大，通过对其修正减小了涂层与基体厚度比对应力值的误差。 娑键词执啼涂残余廊力界而分布指糟 A B S T R A C T I nr e c e n ty e a r s 诵t hn e w t e c h n o l o g ya n dn e wm a t e r i a l sb ed e v e l o p e da n da p p l i e d t h et h e r m a ls p r a yc o a t i n gp a l ys o m er o l e si nc o r r o s i o nr e s i s t ，w e a rr e s i s t ，h i
5、g ht e m p e r - a t u r er e s i s te t c ，i nm o r ea n dm o r ea r e a s ，h a v eg r e a t l yi n c r e a s e dt h el i r ee x p e c t a n c yo f p a r t s H o w e v e r ，r e s i d u a ls t r e s si nt h ep r o c e s so ft h e r m a ls p r a yb e c a n s e so ft h el a r g e r t e m p e r a t u r
6、 eg r a d i e n ta n dd i f f e r e n c e si np h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i e sb e t w e e ns u b s t r a t ea n d c o a t i n g ，p r o n ec o a t i n gt ob ef a i l u r e ds u c ha Sf r a c t u r e ，b u c k l i n ga n ds p a l l i n g ，d e l a m i n a t - i o n T h e r e f o r e t h e r
7、ei Sg r e a ts i g n i f i c a n c ei ns t u d yo fr e s i d u a ls t r e s sw i t h i nt h e r m a ls p r - a yc o a t i n g S i m u l a t i o na n da n a l ：y s i so fr e s i d u a ls t r e s sw i t h i nt h e r m a ls p r a yc e r a m i c m e t a l l i c c o a t i n ga sar e s u l to ft e m p e r
8、 a t u r ec h a n g e sa n dd i f f e r e n c e si nm a t e r i a lt h e r m a l e x p a n s i o nc o e f f i c i e n ti nt h e r m a ls p r a yp r o c e s sb yu s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o d n l e s t u d yi n c l u d e st h er e s i d u a ls t r e s so fs i n g l es p r a yd r o p l e
9、 tf r o mt h em e l t i n gt e m p e r a t u r e l l i g l l s p e e di m p a c tc a r b o na f e rd e p o s i t e ds o l i d i f i c a t i o no nt h es u r f a c eo fs u b s t r a t ea n d t h ee f f e c t so fs u b s t r a t e S p r e h e a t i n gt e m p e r a t u r e ，d r o p l e t S c o l l i s
10、 i o nv e l o c i t yo n r e s i d u a ls t r e s s n l ee f f e c t so fc o a t i n gt h i c k n e s sa n da d dm i d d l el a y e rw i t hd i f f e r e n t t h i c k n e s so nr e s i d u a ls t r e s s e sw i t h i nd o u b l e 1 a y e rc o a t i n g T h ee f f e c t so fc o m p o s i t i o h a l
11、g r a d i e n ta n dt h i c k n e s so fc o a t i n go nt h er e s i d u a ls t r e s s e sw i t h i nc e r a m i c m e t a l l i c g r a d e dc o a t i n g T h ea m e n d m e n to fc o a t i n gi n t e m a ls t r e s sf o r m u l aw h i c hi sb a s e do n t h ec l a s s i c a lb e a mb e n d i n g
12、t h e o r y T h er e s u l t ss h o wt h a tr a i s i n gp r e h e a t i n gt e m p e r a t u r eC a nr e d u c et h es t r e s sl e v e l i ni n t e f f a c ea f t e rd r o p l e td e p o s i t e ds o l i d i f i c a t i o no nt h es u b s t r a t es u r f a c e ，b u tc a nn o t c h a n g et h ed i
13、 s t r i b u t i o no fs t r e s s ，c o l l i s i o nv e l o c i t yh a sl i t t l ee f f e c to nt h es t r e s s t e n s i l e r a d i a ls t r e s si ns u b s t r a t ea n dc o m p r e s s i v er a d i a ls t r e s si nc o a t i n gb e c a u s eo fc o a t i n g t h e r m a le x p a n s i o nc o e
14、 f f i c i e n ti sl e s st h a nt h a to fs u b s t r a t ew i t h i nc e r a m i c m e t a l l i c d o u b l ec o a t i n g I n t e r f a c ei st h em o s tw e a k n e s sr e g i o n ，s t r e s sc o n c e n t r a t i o no c c u ri n t h ee d g eo fi n t e r f a c e a n dt h ev a l u eo fm a x i m
15、u ms t r e s si n c r a s ew i t hi n c r e a s i n gt h e c o a t i n gt h i c k n e s s A d d i n gi n t e r m e d i a t ec o a t i n gc o u l dr e d u c et h ev a l u eo fm a x i m u m r e s i d u a ls t r e s s W 砌1 i nc e r a m i cv o l u m ef r a c t i o nb yf = x me x p o n e n t i a lo ft r
16、a n s i t i o nf r o mp u r e m e t a lt op u r ec e r a m i cg r a d e dc o a t i n g , t h et e n t i l er a d i a ls t r e s sa ti n t e r f a c ed e c e a s e b e c a u s ep e r f o r m a n c ed i f f e r e n c e so ft h ei n t e r f a c eb e t w e e nc o a t i n ga n ds u b s t r a t e r e d u c ew i t hi n c r e a s i n gi n d e xm ，h o w e v e r ，t h ec o m p s s i v es t r e s sa tc o a t i n gs u r f a c e i n c r e a s eb e c a m et h ec e r a m
