恒定动能Si_3N_4颗粒重复冲击不同厚度TiN/Ti涂层损伤特征对比分析

目的研究砂粒冲击航空发动机压气机叶片不同厚度的TiN/Ti硬质涂层损伤特征与机理。方法采用Si3N4硬质球恒定动能垂直重复冲击试验方法,研究厚度对TiN/Ti涂层冲击损伤的影响。通过对比涂层动力学响应、能量吸收率、冲击坑点轮廓、H3/E2值和损伤形貌,分析不同厚度涂层的冲击坑点损伤特征。利用ABAQUS软件仿真获得垂直冲击下涂层的应力分布。结果在调制比为9∶1的两层TiN/Ti涂层中,厚度为25μm的涂层坑点直径最大,达到382.49μm,比坑点直径最小的涂层(20μm)大了24.8%;厚度为25μm的涂层坑点最深,达到8.17μm,比坑点最浅的涂层(15μm)大了49.9%;厚度为5μm涂层的接触力峰值最大,为161.4 N,比接触力峰值最小的涂层(20μm)大了26.1%。随着涂层厚度的增加,涂层的抗冲击能力先增加后减小,厚度为20μm的涂层抗冲击能力最好。冲击坑点损伤特征有三种:中心区与过渡区的疲劳剥落与疲劳磨损,边缘区的疲劳圆周裂纹与疲劳剥落,涂层/基体变形,其中,以剥落为主。结论硬质层内的应力梯度和重复交变拉/压应力导致硬质层内产生疲劳圆周裂纹和疲劳剥落,硬质层与结合层界面处的高应力梯度导致产生层间疲劳剥落。