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.

梯度功能涂层的剥落现象分析与梯度分布的优化

梯度功能材料的优化设计，可以转化为梯度分布函数的设计。采用幂函数来描述梯度分布，使材料优化问题简化为该幂指数（称为梯度指数）的优化。对梯度功能涂层－基底结构的剥落现象进行了分析，推广了文献［９］的结果，给出了在梯度功能涂层的基底中平行于界面稳态扩展的裂纹的能量释放率和应力强度因子的解析表达式，并由此计算了最优的梯度分布指数。同时，还讨论了梯度功能涂层耐高温抗氧化性能与热应力缓和之间的关系。

梯度功能涂层的显微组织和性能

研究用氧乙炔喷涂法制备Ａｌ２Ｏ３／Ｃｕ 梯度功能材料的显微组织和性能。结果表明，加５％ Ａｌ添加剂呈线性变化的梯度功能材料，抗热震性好，金相组织为互相重叠的层状组织。涂层与基体的结合处为塑性断口，沿着梯度涂层厚度方向，Ａｌ、Ｃｕ 两元素呈梯度分布。相分析表明，适量的Ａｌ添加剂加入，起到液相烧结作用，生成δ－ Ａｌ４Ｃｕ９ 新相。

激光快速成形TC4-Ni60A梯度功能涂层的试验研究

为了提高TC4合金表面硬度,增加耐磨性,实现熔覆层间材质的渐变过渡,采用CO2激光在TC4合金表面进行了TC4-Ni60A梯度涂层的熔覆强化处理,研究分析了强化层微观组织和硬度的变化。结果表明,采用适当的成形工艺参数,可在钛合金表面制得连续、均匀、无裂纹和气孔的熔覆层,熔覆强化层材质呈现明显的梯度变化;成形层之间形成了起伏交错的锯齿状界面,均形成了良好的冶金结合;熔覆层硬度平稳过渡,梯度渐变特征良好,最外层的显微硬度可达1140 HV,明显地提高了TC4合金的磨损性能。

导电压头作用下的功能梯度压电涂层二维黏附接触问题研究

纳米压痕实验是研究材料的力学性能和表面形貌的重要手段,当接触区尺寸减小时,压头与试件接触表面间的黏附作用将无法忽视,因此,考虑黏附作用对压头作用下的接触问题具有重要的价值.功能梯度压电材料(FGPM)兼具梯度材料和压电材料的优点,用作涂层可有效地抑制接触损伤和破坏.该文将针对梯度压电材料在导电压头作用下的黏附接触问题开展研究,假设功能梯度压电涂层的材料参数按照指数形式变化,基于Maugis黏附模型,利用Fourier积分变换获得了功能梯度压电涂层在导电压头作用下的二维无摩擦黏附接触问题的控制奇异积分方程,并采用Erdogan-Gupta的数值方法求解,获得了黏附应力、梯度参数和压头所带电荷对力-电耦合响应的影响.研究结果为利用功能梯度压电材料涂层改善材料表面的接触行为提供了理论依据,同时可为压电结构及器件的设计提供帮助.

用机械涂层技术在Ti-6Al-4V基体表面沉积HA/Ti复合涂层与功能梯度涂层的表征、磨损行为和生物相容性

采用机械涂层技术在Ti-6Al-4V基体表面沉积HA/Ti复合涂层与功能梯度涂层(FGC),对涂层进行表征,对比其磨损行为和生物相容性。制备复合涂层所用初始粉末为50%Ti(质量分数)和50%HA(质量分数)的混合粉末,而FGC分为两层,分别为75%Ti+25%HA和25%Ti+75%HA(质量分数)。XRD结果表明在沉积过程中没有发生相变。此外,由于原始混合粉末中存在Ti颗粒,在涂层和基体之间形成了结合良好的连续界面,特别是在功能梯度涂层样品中。磨损实验结果显示,非梯度复合涂层的摩擦因数约为0.37,在界面处发生突变,而功能梯度涂层的摩擦因数从0.32增加到0.5,在界面处发生平缓变化。磨损表面的SEM像表明涂层的主要磨损机制为磨粒磨损。生物相容性评价结果显示,FGC样品具有更好的细胞黏附和增殖能力。

火焰喷涂梯度功能陶瓷涂层工艺与性能

用氧乙炔火焰喷涂法制备铜基氧化铝陶瓷梯度功能涂层，对比了无梯度涂层、梯度涂层及台添加剂梯度涂层的性能，结果表明，梯度功能涂层性能明显优于普通涂层，其中加入5％Al呈线性分布的11层梯度功能涂层的综合性能（抗热震性、隔热性、结合强度、硬度梯度）最佳。

多功能梯度涂层对碳纤维强度的影响

运用化学气相沉积法在碳纤维表面获得C—Si梯度功能涂层的基础上,比较了C—Si梯度涂层与单Si涂层对碳纤维强度影响的差异。实验结果表明:由于C—Si梯度功能涂层减少了涂层与纤维间的各种不匹配因素,使其纤维束强度明显高于单Si涂层碳纤维。同时,适度空气氧化可使C—Si梯度功能涂层碳纤维与单Si涂层碳纤维强度均得到提高;当氧化时间相同,氧化温度为600℃时,上述涂层碳纤维的强度均高于氧化温度为650℃时的强度。另外,当涂层碳纤维在600℃与650℃氧化,C—Si梯度功能涂层碳纤维强度均大于单Si涂层碳纤维。

自蔓延TiC/Ni功能梯度涂层热疲劳性能研究

利用自蔓延高温合成结合准热等静压技术(SHS/PHIP),在H13钢表面制备了Ti C/Ni梯度功能涂层,采用自制热疲劳试验设备对涂层进行了600次热疲劳循环试验。采用SEM/EDS对涂层微观组织进行观察。结果表明,涂层裂纹萌生于表面层和中间层的孔洞尖端和缺陷处,25℃和100℃涂层的裂纹垂直于界面扩展到过渡层。25℃涂层在过渡层发生脱落,100℃涂层在过渡层呈龟裂状,200℃和300℃涂层裂纹垂直于界面扩展到基体表面终止。表面层和中间层裂纹扩展发生在Ti C晶粒内,属于典型脆性断裂特征的穿晶断裂。

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。

钛合金表面等离子喷涂制备ZrO2─Ti系功能梯度涂层

研究了等离子喷涂法制备ＺｒＯ２Ｔｉ系功能梯度涂层。结果表明，采用等离子喷涂工艺制备功能梯度涂层是可行的，涂层与基体除以机械咬合方式结合外，还存在着少量冶金化学反应结合。

等离子喷涂Mo/8YSZ功能梯度热障涂层结构优化与热力耦合模拟计算

目的研究不同结构参数对Mo/8YSZ热障涂层系统残余应力的影响因素。方法设计Mo/8YSZ功能梯度热障涂层,并利用ANSYS有限元软件建立了等离子喷涂Mo/8YSZ功能梯度热障涂层的数值模型,模型中考虑了材料热物理性能参数随温度变化,研究粘结层、过渡层及陶瓷层厚度对Mo/8YSZ功能梯度热障涂层残余应力的影响规律。结果随着径向距离的增大,粘结层与陶瓷层界面的残余应力逐渐由压应力变为拉应力,并且在涂层边缘位置,径向残余拉应力达到最大值。在0~12 mm路径范围内的同一位置,伴随着陶瓷层厚度的增加,粘结层与陶瓷层界面位置的轴向残余应力无明显变化,且轴向残余应力的数值几乎为0;在6~12.5 mm路径范围内的同一位置,伴随着陶瓷层厚度的增加,其剪切残余应力逐渐增大。在基体与粘结层界面边缘0.5 mm处存在着与其他位置相比更大的应力突变。粘结层与陶瓷层的厚度参数比控制在4∶10~4∶13时,涂层具有最低的热失配。过渡层与陶瓷层的厚度参数比控制在1∶4时,涂层具有最低的热失配。当功能梯度热障涂层的过渡层采用50%Mo与50%8YSZ复合而成时,将粘结层、过渡层及陶瓷层三者的厚度比值控制在16∶10∶40~16∶13∶52,涂层具有最低的热失配。结论通过设计功能梯度热障涂层,并合理调控热障涂层系统的结构参数,可进一步减小喷涂构件的残余应力和应力突变情况,提升基体与涂层的结合强度。

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。

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。

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。

超音速等离子喷涂制备梯度功能热障涂层的特点

在国内最新研制成功的超音速等离子喷涂系统基础上,开发了国内外独创的“双通道、双温区”超音速等离子喷涂工艺,将高熔点陶瓷粉末和低熔点合金粉末分别送入等离子焰流的不同温度区,保证两种粉末分别达到各自的熔点,再均匀混合后以超音速喷射到基体形成涂层,克服了传统的“金属/陶瓷混合法”制备梯度热障涂层时,低熔点金属相过熔而引起的氧化、脆化问题。制备出的Ce-YSZ/NiCoCrAlY梯度功能热障涂层(FG-TBCs)组织结构均匀致密,陶瓷与金属组份呈连续梯度分布,显示出良好的韧性。在自行开发的多功能旋转式热震试验机上对约1 mm厚的涂层经1 200℃加热、淬水,200周次热震试验后,涂层表面仅出现了细微网状裂纹,裂纹垂直向下扩展最深350μm,止于梯度层中塑性金属区,未发现任何涂层剥落现象。

活塞顶部功能梯度涂层的有限元模拟热分析

采用ANSYS10.0有限元分析软件,取内燃机活塞的第三类边界条件,采用先热分析再结构分析的间接分析方法,模拟了陶瓷/金属梯度涂层的圆柱体在稳态工作情况下的温度及其热应力的分布情况;考察了梯度组成分布函数指数p对活塞头部的温度场影响,以及对陶瓷/金属梯度涂层热应力的影响,得到了缓和热应力的梯度组成分布函数指数p=0.6的优化设计结果。

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。