ZrO_2/NiCoCrAlY功能梯度涂层残余应力分析

采用有限元方法研究了等离子ZrO2 NiCoCrAlY功能梯度涂层形成过程中的热力学行为以及残余应力的分布。结果表明,由于涂层与基体的热膨胀系数不匹配等原因,在界面等区域存在严重的应力集中。涂层与基体厚度比、中间层以及喷涂过程的冷却速率对残余应力水平有很大影响。涂层内部关键区域的残余应力水平,随着涂层厚度增加而增加;5 0 %ZrO2 +5 0 %NiCoCrAlY中间层对降低涂层内部的应力水平是有利的,但并不能消除涂层内部的应力集中;对于瞬态分析而言,涂层内部的应力随着冷却速度的增加而增加。

功能梯度涂层热残余应力

涂层中的残余应力严重影响着涂层零件的机械完整性与操作可靠性。对于功能梯度涂层,由于各界面位移协调条件的限制,很难得到涂层内部残余应力的闭合解。基于传统的悬臂梁理论,获得了功能梯度涂层热残余应力的闭合解;这一分析模型的优点是残余应力的闭合解与涂层层数无关。讨论了采用传统的近似解所带来的误差, 针对含不同层数的ZrO2/NiCoCrAlY功能梯度涂层内部的残余应力进行了计算。另外,对应力诱导的涂层失效模型也进行了分析。

ZrO2-ZiCrAl系功能梯度热障涂层界面残余热应力研究

研究用等离子喷涂方法制备Ｚｒｏ２－ＮｉＣｒＡｌ系功能梯度热障涂层的不同梯度过渡层之间，以及与基体之间界面的残余热应力和功能梯度热障涂层厚度、组分对残余热应力的影响．方法来用热弹性有限元方法．结果所设计的功能梯度热障涂层的界面残余热应力得到有效缓和．结论对于所要保护的基体，可用有限元数值分析结果选择适当的功能梯度材料体系．

CLAM钢基体表面Al2O3功能梯度涂层残余应力模拟分析

在ITER中国液态锂铅测试包层模块设计中拟采用Al2O3作为防氚渗透耐蚀绝缘涂层,为了防止涂层与CLAM钢基体间由于材料热膨胀不匹配而开裂失效,采用热应力缓和型功能梯度涂层。利用有限元分析软件ANSYS研究了Al2O3/CLAM钢系功能梯度涂层的残余应力分布。模拟结果表明,当成分分布指数p=0.8、层数N=6、梯度层厚度为H=0.6 mm时,应力缓和效果最优。此分析结果可为该涂层制备工艺的优化提供理论指导。

316L不锈钢基材功能梯度Al涂层残余热应力分析

涂层材料的功能性和可靠性在很大程度上受残余热应力的影响,为降低残余热应力防止涂层开裂以及提高其热机械性能,利用有限元方法对Al/316L系梯度功能材料在制备过程中产生的残余热应力分布进行分析,详细讨论了成分分布指数、涂层厚度和梯度层数目对应力大小和分布的影响。分析结果表明成分分布指数的增大不但影响涂层和基体界面的应力大小,还影响涂层中热应力峰值所处位置;涂层残余应力随着梯度层厚度的增加而减小;梯度层数的增多,有利于涂层中残余热应力的缓和,但当梯度层数达到9时,缓和效果并不明显。

功能梯度热障涂层隔热与应力缓和的组合设计

提出了功能梯度热障涂层隔热与应力缓和的组合设计思想,给出了材料基本物性参数物理模型,并在此基础上首先由隔热能力确定不同层数对应的成分分布指数,继而进一步计算出与之匹配的轴向及径向应力分布情况,最后结合涂层材料的制备成本,确定了满足组合设计准则的涂层结构。

基底/功能梯度涂层结构的动态热应力分析及结构优化

研究了金属基底 /功能梯度涂层结构中的动态热应力 ;对功能梯度材料的梯度指数进行了优化 ;分析了可能的破坏模式。研究结果表明 ,加热速度对结构中的热应力分布有很大的影响 ,存在优化的梯度指数使得结构具有最大的热强度。

反应火焰喷涂TiC-Ni功能梯度涂层温度场和残余应力场数值模拟

详细介绍了利用自蔓延反应火焰喷涂技术在钢板表面制备TiC-Ni功能梯度涂层工艺。建立了计算TiC-Ni功能梯度涂层温度场及应力场的数学模型和反应喷涂涂层结构的物理模型。采用有限元分析软件分析了自蔓延反应喷涂层沉积过程中温度场及残余应力场的分布,深入分析了实验条件对涂层温度场的影响。同时,对沿涂层厚度方向残余应力变化规律进行了模拟,并通过模拟检验了利用该方法制备的功能梯度涂层的残余应力的连续性和缓和性,并对不同喷涂速度条件下涂层残余应力场进行了模拟与比较。结果表明,不同喷涂速度对残余应力场的分布影响不大。

功能梯度热障涂层热应力的有限体积法研究

为了研究功能梯度热障涂层(TBC)热应力问题,改进了交错格点型有限体积方法(SCV-FVM)。运用交错网格技术,待解变量定义在单元节点上,物性参数定义在单元中心上。计算功能梯度圆盘的应力场,结果与理论解吻合良好,验证方法的正确性。通过与有限元结果及高阶功能梯度理论(HOTFGM)结果对比发现,SCV-FVM可以有效避免物性参数变化引起的人工数值不连续。研究功能梯度TBC热应力问题,分析涂层厚度变化对热应力场的影响,通过与ANSYS计算结果对比验证数值模拟的正确性。

C/C材料表面ZrB_2-SiC功能梯度涂层残余应力分析

目的以C/C复合材料为基体,设计ZrB_2-SiC功能梯度材料。方法利用Ansys软件对等离子喷涂ZrB_2-SiC功能梯度涂层在沉积过程中产生的残余应力进行数值模拟,分析成分分布指数p和梯度层厚度t对梯度涂层残余应力的影响;并通过基于悬臂梁理论的热应力解析,计算与基体接触的涂层在涂层与基体厚度比λ不同时的残余应力值。结果模拟分析结果表明,在涂层与基体的界面,梯度层的厚度对轴向压应力影响不大,径向压应力和切向应力均随厚度的增加而增大,在边缘区域应力集中较为严重,易产生层间破坏;纯ZrB_2层为表面层,其应力主要为径向压应力,且沿径向逐渐减小至0,到边缘处又突变为拉应力,并随p的增大而减小。对比解析法分析可得两者计算的与基体接触的涂层内部的残余应力随λ的增大都是逐渐降低的,这符合涂层内部的应力分布原理。根据优化设计,获得功能梯度材料在各梯度层厚度d为0.1~0.2 mm,成分梯度指数为4时的热应力变化缓和效果较好。结论基于悬臂梁理论的解析解可以很好地评估热应力,并验证了该模拟的正确性。

Y-TZP/LZAS微晶玻璃功能梯度涂层残余应力分析

为了提高钢基体微晶玻璃涂层的韧性,设计了Y-TZP/LZAS微晶玻璃功能梯度涂层。运用有限元软件,分析了梯度层数目、梯度层厚度和层间3Y-TZP体积组分差等参数对涂层/基体界面残余热应力的影响。结果表明,涂层表层主要分布为径向压应力;在涂层/基体界面的边缘区域应力集中较为严重;涂层/基体界面处的径向应力、轴向应力和剪切应力以及梯度层数目、梯度层厚度和3Y-TZP体积组分差均有密切关系。最后通过涂搪法制备了梯度涂层,测试了涂层表面残余应力,并与有限元结果对比,以验证模拟的准确性。

面向等离子体W/Cu功能梯度涂层的热应力模拟

应用有限元分析软件ANSYS研究了W/Cu功能梯度涂层的3D模型在不同热流密度的稳态冲击下的工作应力和分布以及在边缘局域模式下的瞬态热冲击的表面温度随热流持续时间的关系。结果表明,当钨涂层表面层厚度为2mm、梯度层为240μm时,最大等效应力得到有效缓解;W/Cu部件能承受高达500MW、持续时间为5ms的高热流冲击。

功能梯度涂层壳体热残余应力分析

统一了多层功能梯度涂层和连续功能梯度涂层热残余应力分析方法,对于多层功能梯度涂层壳体,其解为精确解;对于连续功能梯度涂层壳体,采用分层近似,其解为近似解,当所取层数足够多时,近似解收敛于精确解。采用递推方法,得到了热残余变形和应力的显式解,便于涂层的优化设计。对于薄涂层,柱壳涂层的热残余应力与梁的涂层的热残余应力很接近,可以用计算梁的热残余应力的公式来计算,后者简单得多。球壳涂层因双曲率的影响,热残余应力显著大于柱壳。算例中探讨了影响涂层热残余应力及界面强度的因素。

边界元法分析功能梯度涂层材料

在常规边界元法中引入几乎奇异积分的解析算法,使边界元法可以分析涂层结构的强度。计算了在赫兹压力作用下,各向同性涂层和功能梯度涂层两种涂层结构中的Tresca应力分布,绘制了应力等值线图。计算发现使用各向同性涂层时,Tresca应力的最大值出现在涂层和基体交界面上,且在交界面上应力存在明显的不连续性。通过边界元法分析,发现采用功能梯度涂层,可以降低最大的Tresca应力值,削减交界面上的应力不连续性。

结晶器基材HVOF喷涂梯度功能涂层组织结构与结合强度

以HVOF梯度功能涂层在结晶器的应用作为研究背景,对CrZrCu表面超音速火焰喷涂CoNiCrAlY+CoCrMoSi梯度涂层与Ni-Co电镀层进行了对比分析,通过SEM,EDS,XRD及X射线应力仪等手段分析了涂/镀层的微观组织结构与应力状态,采用拉伸法测试了结合强度.结果表明,涂层与基体之间的结合比镀层较为紧密;梯度涂层的结合强度远大于镀层的结合强度;涂层均为压应力,表面应力小,界面应力大;镀层中元素和相组成无变化,涂层主要元素含量与粉末基本相当,而涂层中C,O元素含量增加,粉末发生了熔化分解和重结晶.为结晶器HVOF涂层部分性能替代电镀层提供了理论支持.

陶瓷/金属梯度热障涂层圆筒的传热与热应力有限差分分析

推导了多层陶瓷梯度涂层圆筒模型的温度和热应力分布 ,对变物性材料的差分解法进行了分析 ,并与实际的工程模型进行了对比计算 。

功能梯度涂层中的Ⅲ型周期裂纹问题

利用分层模型研究功能梯度涂层中的Ⅲ型周期裂纹问题 ,借助Fourier级数及传递矩阵技术 ,可将该边值问题化为求解Hilbert奇异积分方程 ,数值求解该方程即可得到应力强度因子。数值结果表明 ,当裂纹较密且裂纹相对较短时 ,裂纹之间的相互作用比较明显 ;

功能梯度材料涂层平面裂纹分析

研究粘接于均质基底材料上功能梯度涂层平面裂纹问题.假设功能梯度材料剪切模量的倒数为坐标的线性函数,而泊松比为常数.采用Fourier变换和传递矩阵法将该混合边值问题化为奇异积分方程组,通过数值求解获得应力强度因子.考察了材料梯度变化形式、结构几何尺寸和材料梯度参数对裂纹应力强度因子的影响,发现功能梯度材料涂层尺寸、裂纹长度以及材料梯度参数均对应力强度因子有显著影响.

金属陶瓷功能梯度热障涂层瞬态热负荷下的破坏分析

本文采用试验分析和热弹性有限元方法研究了用等离子喷涂方法制备的ZrO2 NiCrAl系功能梯度热障涂层在瞬态热负荷下的破坏机理。

功能梯度材料涂层平面运动裂纹分析

研究粘结于均匀材料基底上功能梯度材料涂层平面运动裂纹问题,假设功能梯度材料剪切模量和密度为坐标的指数函数,而泊松比为常数。采用Fourier变换和传递矩阵法将该混合边值问题转化为一对奇异积分方程,通过数值求解奇异积分方程组获得功能梯度材料涂层平面运动裂纹的应力强度因子。考察了结构几何尺寸、裂纹运动速度以及材料梯度参数对运动裂纹的应力强度因子的影响,发现材料梯度参数、结构几何尺寸、裂纹长度以及运动速度均对功能梯度材料动态断裂行为有显著影响。