界面形貌對(duì)涂層殘余應(yīng)力影響的數(shù)值模擬

陳艷霞，翟雪松

(太原科技大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，太原 030024)

為使金屬工件能在高溫條件下穩(wěn)定工作，常采用等離子噴涂對(duì)其實(shí)行表面強(qiáng)化、局部修復(fù)或預(yù)保護(hù)[1]。涂層的結(jié)合包括涂層與基體表面的結(jié)合及涂層內(nèi)聚的結(jié)合，但由于涂層與基體之間存在著較大的溫度梯度和物理性能的差異，在涂層內(nèi)部和界面上產(chǎn)生殘余應(yīng)力[2-3]。殘余應(yīng)力對(duì)涂層的質(zhì)量和性能有著重要的影響，甚至導(dǎo)致涂層沿界面剝離并嚴(yán)重影響涂層的使用壽命[4]。已有研究結(jié)果表明，由熱沖擊導(dǎo)致的界面應(yīng)力失配是影響熱障涂層壽命的首要因素[5-6]。

采用有限元軟件ANSYS的熱分析模塊，針對(duì)不同的界面形貌對(duì)殘余應(yīng)力的影響進(jìn)行了數(shù)值分析，為提高涂層界面結(jié)合強(qiáng)度提供了理論依據(jù)。

1 數(shù)學(xué)模型的建立

圖1 Al2O3/316L試樣的幾何模型Fig.1 The geometrical model of Al2O3

圖1(a)為Al2O3/316L計(jì)算所用的圓柱模型，不銹鋼基體厚度為5 mm，等離子噴涂涂層沉積于基體的上部，其厚度為0.3 mm，界面高度為0.1 mm.現(xiàn)采用軸對(duì)稱模型如圖1(b)所示，中心軸與基體表面交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，分別以平面、矩形及不同角度的三角形為界面形貌，其有限元計(jì)算模型以矩形為例如圖2所示。因?yàn)榛w厚度遠(yuǎn)大于涂層厚度，計(jì)算中取涂層作為分析對(duì)象，將基體的熱變形作為邊界條件。

運(yùn)用ANSYS的熱-結(jié)構(gòu)分析模塊對(duì)等離子噴涂過程進(jìn)行了瞬態(tài)分析，采用間接耦合法先用單元PLANE55完成溫度場計(jì)算后，再將單元轉(zhuǎn)換成PLANE182單元計(jì)算熱應(yīng)力。采用ANSYS前處理模塊PREP7中的自由網(wǎng)格劃分，在界面處將網(wǎng)格加密，如圖2所示。

參照實(shí)際的熱噴涂實(shí)驗(yàn)過程，設(shè)置試樣的溫度場邊界條件，基體溫度設(shè)為室溫25℃，涂層溫度為1150℃，忽略涂層與空氣的對(duì)流換熱，只考慮涂層與基體之間的熱交換作用，計(jì)算時(shí)間為60 s.假設(shè)涂層、基體各層的熱學(xué)、力學(xué)參數(shù)在計(jì)算中均為定值。各參數(shù)值如表1所示。

2 有限元計(jì)算結(jié)果分析

圖2 界面形貌的計(jì)算模型Fig.2 Calculation model of the interfacial shape

表1 材料基本物性參數(shù)Tab.1 Basic parameters of materals

圖3 溫度分布圖Fig.3 Distribution of temperature

圖3表示系統(tǒng)溫度分布云圖。瞬態(tài)熱分析60 s以后可以看出，平面界面時(shí)的溫度相對(duì)大三角形界面的溫度較高，但整體觀察不同界面形貌的的各區(qū)域溫度近乎相同，最值相差只有2℃ ～4℃，這說明涂層與基體已經(jīng)基本達(dá)到共同冷卻。在基體與涂層之間存在著較大的溫度梯度，最大值達(dá)到了1574℃.

圖4表示系統(tǒng)應(yīng)力分布云圖。各界面形貌的涂層比基體的應(yīng)力相對(duì)較大，有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。由于涂層與基體的熱膨脹系數(shù)不同，噴涂后基體出現(xiàn)殘余拉應(yīng)力，而涂層會(huì)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，其最值出現(xiàn)在涂層內(nèi)部。

圖4(a)、(b)、(c)、(d)為系統(tǒng)沿 x 方向應(yīng)力分布圖，圖4(e)、(f)、(g)、(h)為系統(tǒng)沿 y方向應(yīng)力分布圖。比較各圖可以看出，y方向的應(yīng)力比x方向的要小得多，而沿xy方向的切應(yīng)力更小，可見徑向應(yīng)力是噴涂殘余熱應(yīng)力的主要表現(xiàn)形式，在涂層外邊緣區(qū)域有了較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象。比較不同角度的三角形界面形貌可知，垂直于界面的拉應(yīng)力及平行于界面的壓應(yīng)力隨界面形貌角度的減小而減小，但其對(duì)溫度和應(yīng)力的影響并不顯著。

圖4 應(yīng)力分布圖Fig.4 Stress distributions diagrams

圖5 系統(tǒng)沿x方向變形分布圖Fig.5 Distribution of x-displacement

圖5表示系統(tǒng)沿x方向的變形分布圖。結(jié)果分析表明，由于基體與涂層熱膨脹系數(shù)不匹配，使系統(tǒng)沿x、y方向均有一定的熱變形，但由于涂層溫度變化較大，其熱變形比基體明顯，系統(tǒng)在x方向變形較其它方向嚴(yán)重。

3 結(jié)論

界面為平面的涂層在降溫過程中殘余應(yīng)力較小，但涂層內(nèi)部應(yīng)力集中較明顯，其它界面形貌時(shí)應(yīng)力集中相對(duì)較弱，但在凸峰和凹谷部分應(yīng)力值較大。當(dāng)涂層界面形貌為角度不同的三角形時(shí)，垂直于界面的拉應(yīng)力及平行于界面的壓應(yīng)力隨界面形貌角度的減小而減小，但其對(duì)應(yīng)力的影響并不顯著。界面形貌對(duì)x方向的殘余應(yīng)力影響較明顯。

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