（材料加工工程专业论文）wcco热喷涂层力学性能与残余应力研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论第l 页 摘要 w c c o 热喷涂涂层技术是国内外的个研究焦点。w c c o 涂层技术可望成为解决 重大装备关键零部件耐磨的关键技术。国内外学者对w c c o 材料热喷涂工艺、涂层组 织结构以及常温性能，进行了大量的研究工作。但对w c c o 涂层断裂韧性、残余应力 及疲劳性能的研究还很少。因此，有必要对此进行系统、深入的研究，为w c c o 涂层 的工程应用提供强有力的技术支持。 本论文针对水轮机过流件和关键零部件的力学性能问题，系统地研究了a p s 和 h v o f 两种喷涂方法制备的纳米w c c o 、普通w c c o 、w c 1 2 c o 以及w c 1 7 c o 等涂 层力学性能。采用压痕法测量了涂层弹性模量和断裂韧性，利用s e m b s e 等技术分析 了压痕致裂纹扩展机理；利用四点弯曲法测量了涂层界面应变能释放率；同时采用x 射线衍射法测量了涂层残余应力：采用高频疲劳试验机测量了涂层轴向疲劳，主要得 出以下结论： ( 1 ) a p s 喷涂纳米w c c o 涂层硬度比h v o f 喷涂纳米w c c o 涂层低4 0 2 4 0 h v ， 约5 0 3 9 ；纳米w c c o 涂层硬度高于普通w c c o 涂层5 0 1 0 h v ，约4 3 6 ；w c 1 2 c o 涂层硬度高于w c 1 7 c o 涂层6 2 4 0 h v ，约5 2 0 ；w c c o 涂层硬度沿深度方向呈梯度 分布；a p s 喷涂w c c o 涂层弹性模量比h v o f 喷涂w c c o 涂层低1 2 5 2 4 ，9 8 4 2 ； 纳米w c c o 涂层弹性模量比普通涂层高1 3 0 0 g p a ，约5 4 3 ；w c 1 2 c o 涂层弹性模 量比w c 1 7 c o 涂层高4 0 9 0 g p a ，约1 6 2 0 ； ( 2 ) a p s 喷涂w c c o 涂层断裂韧性比h - v o f 喷涂w c c o 涂层低1 9 7 m p a m “2 ， 约5 0 o o ；纳米w c c o 涂层断裂韧性比普通涂层高0 6 1m p a m “2 ，约1 1 4 1 ； w c 1 2 c o 涂层断裂韧性比w c 1 7 c o 涂层低0 3 8m p a i l l “2 ，约7 1 6 ： ( 3 ) a p s 和h v o f 喷涂w c c o 涂层表面应力都表现为压应力，且h v o f 喷涂层残 余压应力水平比a p s 喷涂层高8 5 5 0 m p a ，约6 1 6 0 ；纳米w c c o 涂层残余压应力水 平比普通w c c o 涂层高2 0 8 9 m p a ，约1 0 2 7 ；w c 一1 2 c o 涂层残余应力水平低w c 1 7 c o 涂层1 8 6 7 m p a ，约9 0 8 ；i q v o f 喷涂w c c o 涂层残余应力均表现为压应力，表面残 余应力值比较集中，残余应力沿表面分布较为平缓，沿着深度方向应力值浮动较大， 呈梯度分布。h v o f 喷涂w c c o 涂层中各相残余应力大小及状态均不同，w c 和w 2 c 相为压应力，而c 0 6 w 6 c 相则为拉应力； ( 4 ) 随着疲劳载荷的增加，纳米w c 1 2 c o 涂层疲劳寿命减少；循环载荷作用下，涂 西南交通大学硕士研究生学位论第f f 页 层与基体轴向变形不协调，在涂层基体界面产生较大剪应力，致使4 5 # 钢基体纳米 w c 1 2 c o 涂层失效；载荷作用下，疲劳试样上受较大弯矩，致使试样表面涂层失效， 应力陡然增大致使试样断裂。 关键字：等离子喷涂；超音速火焰喷涂；w c c o 涂层：弹性模量；断裂韧性；残余应 力；疲劳性能。 西南交通大学硕士研究生学位论第l li 页 曼皇曼曼i _ = _mm i i i 皇曼曼曼曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼窟寰曼皇皇曼曼皇鼍! 曼舅皇曼鼍曼孽皇曼曼皇蔓皇曼舅舅曼! 曼曼曼曼曼皇曼 a b s t r a c t w c c oc o a t i n gt e c h n o l o g yi saf o c u sf o rc i v i la n da b r o a dr e s e a r c h e r s ，w h i c hi s e x p e c t e dt ob e c o m eak e yt e c h n o l o g yt os o l v ew e a r - r e s i s t a n c eo fc r i t i c a lc o m p o n e n t si n l a r g e s c a l ee q u i p m e n t s m a n ys c h o l a r sh a v ed o n eal o to fr e s e a r c h e so nt h ep r o c e s s ， m i c r o s t r u c t u r e sa n dp e r f o r m a n c ea tr o o mt e m p e r a t u r eo fw c - c oc o a t i n gs p r a y e db yh v o e h o w e v e r t h er e s e a r c h e so nf r a c t u r et o u g h n e s s ，r e s i d u a ls t r e s sa n df a t i g u ep r o p e r t i e so f w c c oc o m i n ga r er a r e s o ，t h es y s t e m a t i ca n di n d e p t hr e s e a c h e sa b o u tt h e mb e c o m em o r e a n dm o r en e c e s s a r y , w h i c hc o u l dp r o v i d eas t r o n gs u p p o r to nt e c n o l o g i e sf o re n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o no fw c c oc o a t i n g a i m i n ga tt h ep r o b l e mo nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t h et u r b i n ek e yp a r t s ，i nt h i sp a p e r , t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h en a n o s t r u c t u r e d ，t r a d i t i o n a l ，w c - 12 c oa n dw c - 17 c o c o a t i n g sp r e p a r e db ya p sa n dh v o ft e c n o l o g i e sw e r er e s e a r c h e ds y s t e m a t i c l y t h e s e m b s e ，e d sa n dt h ex - r a yd i f f r a c t i o nt e c n o l o g i e s w e r ee m p l o y e dt oa n a l y z e m i c r o s t r u c t u r ea n dp h a s e so fw c c oc o a t i n g ；t h ed e v i c eo fh a r d n e s sw a su s e dt o d e t e r m i n a t et h eh a r d n e s sa n de l a s t i cm o d u l u s ；t h ef r a c t u r et o u g h n e s sw a sm e a s u r e db y i n d e n t a t i o n ，a n dt h es t r a i ne n e r g yr e l e a s er a t ew a sd e t e r m i n a t e db yf o u r - p o i n tb e n d i n g m e t h o d ；t h er e s i d u a ls t r e s sw a sa n a l y z e db yt h ex r a yd i f f r a c t i o nt e c n o l o g y ；a n dt h ea x i a l f a t i g u ep r o p e r t i e sw a ss t u d i e db yh i g hf r e q u e n c yf a t i g u et e s t i n gm a c h i n e t h ec o n c l u s i o n s a r el i s t e da sf o l l o w i n g ： ( 1 ) t h eh a r d n e s sa n de l a s t i cm o d u l u so fh v o fc o a t i n gw e r eh i g h e rt h a nt h a to fa p s c o m i n g t h eh a r d n e s sa n de l a s t i cm o d u l u so fn a n o s t r u c t u r e dc o a t i n gw e r eh i g h e rt h a nt h a t o ft r a d i t i o n a lc o a t i n g a n dt h a to fw c 一12 c ow a sa l s oh i g h e rt h a nw c 一17 c oc o a t i n g t h e h a r d n e s sg r a d i e n td i s t r i b u t i o nw a sf o u n da l o n gt h ed e p t hd i r e c t i o n ( 2 ) t h ef r a c t u r et o u g h n e s so fh v o fc o a t i n gw a sh i g h e rt h a nt h a ti na p sc o a t i n g t h e f r a c t u r et o u g h n e s so fn a n o s t r u c t u r e dc o a t i n gw a sh i g h e r , b u tt h es t r a i nr e l e a s er a t ew a sl o w e r t h a nt r a d i t i o n a lc o a t i n g a n dt h ef r a c t u r et o u g h n e s sa n dt h es t r a i nr e l e a s er a t eo fw c - 12 c o c o a t i n gw e r el o w e r t h a nt h a to fw c 17 c oc o a t i n g ( 3 ) t h es u r f a c er e s i d u a ls t r e s so fa p sa n dh v o fc o a t i n gw a sc o m p r e s s i v es t r e s s ，a n d t h es t r e s sl e v e lo fh v o fc o a t i n gw a sh i g h e rt h es u r f a c er e s i d u a ls t r e s sl e v e lo f n a n o s t r u c t u r e dc o a t i n gw a sh i g h e rt h a nt h a to ft r a d i t i o n a lc o a t i n g a n dt h es u r f a c er e s i d u a l s t r e s sl e v e lo fw c 一17 c oc o a t i n gw a sh i g h e rt h a nw c 一12 c oc o a t i n g t h es u r f a c er e s i d u a l s t r e s sl e v e lo fh v o fw c c oc o a t i n gw a sc o m p r e s s i v es t r e s s t h ev a l u eo ft h es u r f a c es t r e s s 西南交通大学硕士研究生学位论第1v 页 w a sc o n c e n t r a t e d ，s ot h es u r f a c er e s i d u a ls t r e s sd i s t r i b u t i o nw a s r e l a t i v e l yf l a t h o w e v e r , t h e s u r f a c er e s i d u a ls t r e s sv a l u eh a dal a r g ef l o a t i n ga l o n gt h ed e p t hd i r e c t i o n , s ot h es t r e s sh a sa g r a d i e n td i s t r i b u t i o n t h es t a t e sa n dv a l u eo fr e s i d u a ls t r e s so fd i f f e r e n tp h a s e si nw c c o c o a t i n gw e r ed i f f e r e n t a n dt h ec o m p r e s s i v es t r e s sw a sf o u n di np h a s e sw ca n dw 2 c ， h o w e v e r , t h et e n s i l es t r e s si nt h ep h a s ec 0 6 w 6 c ( 4 ) f a t i g u el i f eo f n a n o s t r u c t u r e dw c 12 c o c o a t i n gd e c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n go ff a t i g u e l o a d s n a n o s t r u c t u r e dw c 一12 c o c o a t i n go ns u r b s t r a t eo f4 5 # s t e e lf a i l u r e d b e c a u s eo fl a r g e s h e a rs t r e s sb e t w e e nt h ec o a t i n ga n ds u r b s t r a t e ，w h i c hw a sp r o d u c e db yu n c o o r d i n a t e d d e f o r m a t i o nb e t w e e nt h e mu n d e rc y c l i cl o a d f a t i g u es p e c i m e nh a dal a r g eb e n d i n g m o m e n tu n d e rc y c l i cl o a d ，w h i c hc a u s e st h ef a i l u r eo f c o a t i n g ，a n dw h i c hw a st h er e a s o n t h a tt h es t r e s si n c r e a s e ss u d d e n l y , w h i c hc a u s e st h es u r b s t r a t ef a i l u r e d k e y w o r d s ：a p ss p r a y i n g ；h v o fs p r a y i n g ；w c - c oc o a t i n g ；e l a s t i cm o d u l u s ；f r a c t u r e t o u g h n e s s ；r e s i d u a ls t r e s s ；f a t i g u ep r o p e r t i e s 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密d 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“寸) 学位论文作者签名：叶良诤 日期：i o 站 指导老师签名： 日期： 铲 卿玉t 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： ( 1 ) 研究不同喷涂方法条件下，不同材料类型下w c c o 涂层硬度、弹性模量。 ( 2 ) 研究了不同喷涂方法条件下，不同材料类型下w c c o 涂层断裂韧性，包括涂 层断裂韧性和界面断裂韧性，并分析压痕致裂纹扩展机理。 ( 3 ) 研究不同喷涂方法条件下，不同材料类型下w c c o 涂层表面残余应力。并在 研究结果的基础上，进一步深化研究h v o f 纳米w c 1 7 c o 涂层残余应力表面分布和 深度方向分布以及纳米w c 1 7 c o 涂层内不同相残余应力状态及大小。 ( 4 ) 初步探索不同母材条件下，h v o f 喷涂纳米w c 1 2 c o 涂层轴向疲劳性能，并 对涂层疲劳断口进行分析，探索疲劳失效机理。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：叶文脚 日期：知f o j - j 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 曼曼皇曼鼍曼曼皇曼皇曼曼舅曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼暑曼舅l_ m - - - 曼皇曼鼍曼舅舅曼蔓曼皇曼鼍蔓曼曼曼鼍曼皇曼皇曼鼍曼曼曼曼毫曼舅舅曼曼曼曼曼皇曼鼍 1 1 工程背景 第1 章绪论 在原煤、石油等不可再生能源日益减少，以致面临枯竭的严峻形势下，各国都在 积极探索、开发新的无污染能源替代品。水资源因为无污染以及可再生，日益成为当 代世界最主要的电力资源之一。目前，人们常把一个国家对水电资源的开发利用程度 用来衡量一个国家发展进步程度。 我国的水力资源丰富，但我国河流特点之一是含沙量大，多沙流上水电站水轮机过 流部件，尤其是导叶、叶片的磨蚀问题异常突出。据估计，在己运行的水电站中，约 有1 5 1 4 的水轮机叶片遭受不同程度的泥沙危害，每年因水轮机过流部件( 主要为叶片) 冲蚀磨损破坏而停运或检修引起的电能损失约2 0 o o 3 0 o o 亿k w h ，年消耗检修费及设 备更新费巨大。这不但造成设备、材料的巨大浪费，更不利于水力资源的充分利用。 此外，在航空、航天的发动机上以及石油钻探大型零部件中，都存在着由磨损造成 的过早失效问题。 总之，随着国防、民用工业的发展、能源危机的日趋加剧，提高这些重大装备中关 键零部件耐磨性能以延长其使用寿命，或对已磨损零件进行修复从而达到节省材料、 降低能耗和提高经济效益显得尤为紧迫和重要。碳化钨钴金属陶瓷的热喷涂涂层，由 于其良好的硬度和韧性，广泛地应用于航空航天、交通运输、冶金、电力等领域，以 增强基体金属的耐磨性能及磨损部件的修复。 用热喷涂技术制备w c c o 复合涂层是目前科学研究的一个新兴重要领域。w c c o 涂层技术逐渐成为解决重大装备关键零部件耐磨的关键技术。 1 2 热喷涂金属陶瓷涂层技术的发展及应用 1 2 1 热喷涂金属陶瓷涂层技术的发展n 4 7 3 碳化钨基金属陶瓷是碳化物基金属陶瓷中研究最多、应用最广的一类金属陶瓷， 由于具有很高的硬度( h r a 8 0 9 2 ) ，极高的抗压强度6 0 0 0 0 0 m p a 。w c c o 硬质合金 具有高硬度、强度和非常好的耐磨损性能，已被广泛地应用在各种切削刀具、钻井钻 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 头、采矿工具及其他各种耐磨件的先进制造及再制造。 作为研究最早的金属陶瓷，w c c o 仍然是基金属陶瓷能保证材料高机械性能的最 好的结构组合和原子间相互作用的古典示例。其中c o 的质量比一般为3 0 0 0 o - - - , 2 5 0 0 9 6 。 因为它们在2 0 0 0 时相组元的结构多数相接近，并且c o 在高温时的转变是从面心立 方晶格转变到六方晶格。这种转变是由c o 排列缺陷的低能量引发的，在c o 内产生强 烈的位错分裂，从而保证高的屈服极限。 目前，金属陶瓷的研究发展迅速。主要集中在以下几个方面： 一、新材料的研究与开发。主要包括三方面：硬质相正在向多样化方向发展，致 力于开发新型硬质相和复合硬质相等；作为粘结相的金属或合金的种类不断增多，以 资源丰富的金属代替资源短缺的金属( 如用f e 和n i 代替c o ) ；相成分范围逐渐拓宽， 硬质相和粘结相的含量不断地突破以前研究的范围。 二、超细晶粒和纳米级金属陶瓷。近年来，从长期的生产经验和最新的研究发现， 在金属陶瓷的成分中，当粘结相不变时，决定其力学性能的关键因素主要是材料中的 硬质相的晶粒度。由于超细晶粒和纳米级金属陶瓷比常规金属陶瓷具有更高的强韧性、 硬度、耐磨性等综合性能，因此受到了世界各工业大国的广泛关注。 三、梯度金属陶瓷的应用开发。由于一些金属陶瓷制品在使用时，不同工作部位 往往有着不同的性能要求，若采用现有的耐热金属、陶瓷或金属陶瓷等单一材料都难 以满足这种工作条件，而采用陶瓷金属层状结构又会引起界面处的热应力集中，这就 需要开发热应力缓释型金属陶瓷，即梯度金属陶瓷，它是一种由于组织连续变化引起 性能缓变的功能复合材料。这种材料可用作航天飞机的热防护材料、核反应堆的内壁 材料、汽车发动机的燃烧室材料和梯度刀片材料等。 四、金属陶瓷回收再利用问题。近年来，受环境保护和资源利用意识的影响，金 属陶瓷回收再利用问题的研究在不断地扩大和深入，但也存在一些问题。 五、基础研究的发展。限制金属陶瓷更深发展的主要问题在于相关的基础研究相 对滞后，许多涉及材料本质的问题没有解决。近年来有关的研究已得到重视，相关理 论也有了长足的发展。主要的研究热点有：1 ) 材料制备工艺过程机制；2 ) 通过控制 工艺获得具有特定结构的材料；3 ) 材料结构形成机制；4 ) 制各工艺与性能的相互关 系；5 ) 金属与陶瓷的润湿性问题；6 ) 界面结构研究等一系列问题。 近些年来，金属陶瓷的研究成果很多，新品种不断出现，理论体系也r 趋成熟。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 传统金属陶瓷复合材料随着纳米技术的应用以及材料设计水平的提高其性能也得到提 高。w c 基金属陶瓷工业发展的一个明显趋向是，使用越来越细的w c 基金属陶瓷粉 来制造加工工具和耐磨零件。目前的研究热点是距微w c 基金属陶瓷和纳米w c 基金 属陶瓷，其涂层坚硬、致密、具有极优的耐磨粒磨损性能，己被应用军事和民用工业。 1 2 2 热喷涂金属陶瓷涂层技术的应用 由于w c c o 材料资源稀缺，零部件整体采用大块的w c c o 材料，价格昂贵。可以 采用表面工程技术在普通材料表面复合一层w c c o ，从而得到综合性能优良、价格便 宜的新型复合材料。热喷涂是一种非常重要的表面复合工程技术，热喷涂w c c o 硬质 合金涂层中工程中得到了广泛的应用。 有报道，在钛合金压气机叶片的阻尼台表面上喷涂一层0 2 5 m m 厚的碳化钨涂层， 叶片寿命由1 0 0 o o d , 时延长到上万小时【2 3 】。热喷涂w c 硬质合金涂层相对于电镀硬铬镀 层在耐磨性、耐蚀性、耐疲劳性有明显的优势，国内外已经在开始尝试在波音7 6 7 和7 7 7 飞机起落架上，将硬铬镀层i 虫h v o f 喷涂w c c o 涂层替代的可行性【2 ，4 ，5 1 。 碳化钨钴金属陶瓷的热喷涂涂层，由于其良好的硬度和韧性，广泛地应用于航空 航天、交通运输、冶金、电力等领域，以增强基体金属的耐磨性能及磨损部件的修复。 然而不断苛刻化的工程应用环境条件对硬质合金提出了更高的性能要求，需迸一步提 高硬质合金材料的综合性能。目前的研究表明：在w c c o 材料中，材料的硬度和强度 会随着w c 颗粒尺寸的减少而增加，而当将w c 颗粒的尺度减小到纳米尺度时，w c c o 涂层的硬度、强度和韧性都会增加，从而导致纳米结构的w c c o 金属陶瓷材料比传统 的w c c o 具有更高的硬度和韧性，耐磨性能更加优良，具有更为广阔的应用前景。用 热喷涂技术制备纳米w c c o 复合涂层是目前科学研究的一个新兴重要领域。纳米 w c c o 粉体材料的研究与应用为w c c o 热喷涂纳米涂层技术的研究提供了有力的支 撑。目前，纳米w c c o 涂层技术是国内外研究的焦点。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 3 国内外热喷涂涂层力学性能研究现状 1 3 1 国内外热喷涂涂层常规力学性能研究现状 一、国内研究现状 q ih o n g y u 6 】等采用悬臂梁法对大气等离子喷涂z r 0 2 8 y 2 0 3 涂层弹性模量和泊 松比进行了研究。研究表明：z r 0 2 8 y 2 0 3 涂层弹性模量相对误差不超过1 0 3 ，该 种方法还将会被应用于多层系统的弹性模量及泊松比的测量。 李美垣等【7 】用压痕法测量e b p v d 热障涂层的弹性模量。研究发现，热障涂层的 v i c k e r s 显微硬度和弹性模量随施压载荷增大而减小，当载荷某临界值时，弹性模量测 试值趋于稳定。因为低载荷下，压头所压区域较小，压痕所包围的缺陷( 如孔隙、晶 界、显微裂纹等) 少，因此所观察到的弹性模量相对较高。较高载荷下，压痕尺寸变 大，被压痕包围的显微结构缺陷增多，无疑导致涂层弹性模量下降。大于临界载荷时， 被压痕包围的单位面积或单位体积的显微缺陷量变得相对稳定，因此其弹性模量值也 变得相对稳定，对施压载荷大小不再敏感。 徐连勇等【8 】采用改进了的三点弯曲法研究了金属陶瓷涂层弹性模量。结果显示，改 进了的三点弯曲法可以测量两面涂层厚不等时的涂层弹性模量。随涂层厚度的增大，弹 性模量增大，分析认为，一方面涂层越厚，测量精度越高；另一方面涂层厚度增大，孔隙率 降低，使得弹性模量增大。研究发现涂层弹性模量与喷涂方向有关，呈现了各向异性的特 性。 张永康等【9 】等利用x r d 涂层及其基体材料的应力及其变化规律建立了一种涂层结 合界面应力检测系统，进行界面结合状态的检测研究。利用涂层从基体脱粘前后的界 面应力变化量，结合涂层材料的物性参数和涂层基体系统温度场参数，用涂层残余应 力衍射峰来表征涂层与基体的结合强度，创立种研究检测涂层结合强度理论的实验 新方法，适用于各种热障涂层的界面结合强度测量。 二、国外研究现状 h y u n g j u nk i m 等【l o 】利用k n o o p 压痕和三点弯曲法测量等离子喷涂的两种金属涂 层和三种陶瓷涂层弹性模量。研究表明，采用k n o o p 压痕法测量的弹性模量呈现的各 向异性及其数值大小取决于涂层的微观结构，并且在平面方向的大多数弹性模量大于 垂直方向的。这是因为在垂直方向，气孔和层间薄弱处的存在，降低了涂层的弹性模 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 量。由于涂层中微裂纹和层状结构的存在，三点弯法是测得是非线性应力应变行为。 k n o o p 压痕法在测量弹性模量时只考虑弹性组员。与其相比，三点弯曲法测弹性模量 在试验过程中，片层的滑移、裂纹的扩展及气孔等的存在，要考虑塑性变形。所以， 三点弯曲法测得的弹性模量要比k n o o p 压痕法测得的弹性模量低1 0 0 0 左右。 m a t se s k n e 等【1 1 l 在常温下采用球形压痕法测量了工作层为z r 0 2 8 w t y 2 0 3 和粘 结层n i 2 3 c o 1 7 c r - 1 2 a 1 0 5 y 的热障涂层的弹性模量。结果表明，热处理( 1 0 0 0 0 0 0 c 保温1 5 0 0 h ) 可以明显提高粘结层的弹性模量( 从1 3 7 0 0 g p a 提高到2 2 6 0 0 g p a ) ，因 为内部层状搭接薄弱区发生了氧化。热处理后，在工作层也同样有明显的烧结和弹性 模量变化现象( 弹性模量从3 8 o o 提高到6 0 o o g p a ) 。 h “等【1 2 】分别采用压痕法、三点和四点弯曲法，测量了h v o f 喷涂h a 涂层和 h a 用0 2 涂层。结果显示，生物陶瓷涂层明显取决于涂层的微观结构和相组成。加入 t i 0 2 的涂层刚度要比h a 涂层高，从而很有效的提高了涂层的弹性模量。从本质上说， 压痕法受局部相区和受测试式样表面粗糙度影响很明显。三点和四点弯曲法比较适合 测量涂层的整体弹性模量，而且两种方法测得的结果极其接近。 1 3 2 国内外热喷涂涂层断裂韧性的研究现状 一、国内研究现状 张光钧等1 1 3 1 对4 5 钢表面激光熔覆n i 基纳米w c c o 复合涂层的断裂韧性k c 进行了研 究。结果表明：激光熔覆n i 基纳米复合涂层的k c - 2 _ 1 8 0 0 m n m - 3 2 而喷焊n i 基w c c o 复合 涂层的k c 平均值为8 1 0 m n m - 3 2 ( 最低值为4 4 0 m n m 叫2 ) 。分析认为：在本研究条件下， 激光熔覆n i 基纳米w c c o 复合涂层中形成的呈三维网络结构分布的碳化物相及呈弥散 分布的超细碳化物相的综合增强作用是该涂层断裂韧性k c 比常规喷焊同样材料( 非纳 米) 涂层的k c 明显提高的主要原因。 李美垣等【1 4 】用压痕法测量e b p v d 热障涂层的弹性模量及断裂韧性。研究发现，断 裂韧性平均值约为1 8 1m p a m 汜。压痕法测得陶瓷层断裂韧性数据波动较大，其主要原 因是陶瓷层显微结构不均匀，使压痕裂纹在涂层不同局部区域所遇到的扩展阻力不同。 李晨辉等【1 5 1 用压痕法测定了具有不同粒度硬质相的w c c o 硬质合金的断裂韧性。 结果发现，当钴含量不变时，硬质合金的断裂韧性随w c 颗粒度的增大而增大。进一步 分析表明：产生上述现象的主要原因是因为w c 晶体只有4 个独立滑移系，随w c 粒 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 i i h i i _ 一| a _ i； i i i 一一i _ 一一 皇舅皇曼曼皇曼曼曼曼皇曼曼皇曼舅曼曼皇 度的增大，其对裂纹的偏转和分叉作用增强，从而导致断裂面表面积增大而增韧。 蔡吴等【l6 】进行了这两种材料的界面断裂韧性试验研究。用三点和四点弯曲的试验 方法，并结合有限元方法的数值分析，对双材料界面裂纹的扩展判据进行了初步验证。 王人杰等【1 7 】用边界元法研究了具有理想与非理想界面的双材料四点弯曲试件的界 面断裂韧性。研究表明理想界面裂纹尖端的复应力强度因子以及非理想界面裂纹前沿 的应变能密度与试件的几何尺寸、双材料的性质等的关系。计算结果表明当裂纹的长 度小于试件内支点的跨度时，上述两个物理量在很大范围内不随裂纹长度而变化。 王立君等【1 8 】对陶瓷金属连接界面韧性进行了研究。基于能量叠加和梁的等效截面 转换原理，导出了计算s a i l d w i c h 梁试样界面裂纹扩展能量释放率的解析式，并利用专 门设计的四点弯曲实验系统测得了s i 3 n 4 a i 真空扩散连接界面的韧性，进而为优化陶瓷 金属连接工艺、筛选材料组配和评价其连接界面的抗断裂性能提。 二、国外研究现状 m m 1 i m a 等【侈】用压痕法测量w c 1 2 c o 涂层截面断裂韧性，发现小载荷时，出现的 是径向裂纹( 出现在压痕棱角出且与对角线方向一致) ；较大载荷时，出现的是横向裂 纹( 在压痕四边出，且无规则) 。同时提出，研究了后热处理对断裂韧性的影响，结果 表明，后热处理有助于提高涂层的断裂韧性。 m w a t a n a b e 等【2 0 1 用四点弯曲法测量t w c 1 2 c o 不同c o 含量的涂层界面断裂韧性， 分析了w c 颗粒效应，并且揭示了涂层与基体的粘结机理。研究表明w c 1 2 c o 涂层界面 断裂韧性随w c 颗粒增大而增大；涂层结构的致密程度、镶入基体的w c 颗粒、涂层中 的合金相体积分数都是获得良好的粘结状况的关键因素。 e l o 7 p e z 2 u 等采用压痕法研究t o g u n 和h v o f 两种8 6 w c 1 0 c o 4 c r 涂层的断裂 韧性。结果显示，裂纹很容易沿着平行界面进行扩展。d g u n 涂层比h v o f 涂层的断裂 韧性要低很多，并且断裂韧性值很离散。压痕致裂纹有沿着颗粒与熔化区域之间穿过 的趋势。 h l i 【2 2 】等采用压痕法和四点弯曲法研究t h a 喝t i 0 2 涂层的断裂韧性和界面断裂 韧性。结果表明，涂层内部层间界面对断裂韧性有很大的影响，因为裂纹很容易在界 面处扩展。与弯曲法相比，压痕法受限于涂层的局部相组成和试样的表面状态。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 1 3 3 国内外热喷涂涂层疲劳性能研究现状 、国内研究现状 熊健引2 3 】等研究了残余应力对疲劳裂纹的影响。结果显示，残余压应力的存在提 高了疲劳寿命，残余拉应力则起相反的作用。 洪鹤【2 4 】等研究了表面淬火、离子氮化+ 表面淬火的复合热处理以及复合热处理+ 喷 丸处理对4 0 c r 钢的接触疲劳的影响。结果显示：经过复合热处理+ 喷丸工艺处理的4 0 c r 钢可获得最高的表层硬度和残余压应力，同时也表现出最为优异的接触疲劳性能。据 此提出，高的表层硬度和残余压应力能够有效地抑制接触疲劳裂纹在试样表面的萌生 和扩展，因而可大大提高4 0 c r 钢的接触疲劳寿命。 林晨【2 5 】等研究了真空熔烧钴基合金碳化钨硬面涂层的旋转疲劳。结果显示，热处 理基本未改变涂层的微观组织和相种类，但改变各相的相对含量；正火或调质处理能够 提高涂层基体的硬度；涂层试样调质处理后的疲劳强度大于正火处理；在正火处理后，涂 、层试样的疲劳强度大于未涂层试样；但在调质处理后，当n 3 0 0 x 1 0 5 时，结果则相反。 二、国外研究现状 h j c v o o r w a l d | 2 6 等人研究了超音速火焰喷涂w c 1 7 c o 和w c 1 0 c o 4 c r 涂层喷丸 前后的轴向疲劳性能以及电镀c r 层的疲劳性能。结果显示，碳化钨涂层的疲劳强度高 于电镀c r 层的。喷涂前喷丸处理的涂层有更高的疲劳强度。m y p c o s t a 2 7 】等人研究了 w c 1 0 c o 4 c r 涂层对t i 6 a 1 4 v 合金疲劳性能的影响。结果显示，喷涂层的引入虽然增 加了涂层的耐磨性能，但降低了涂层的疲劳强度。喷涂前的喷丸处理，可以改善涂层 的疲劳性能。端口分析认为，在涂层的表面、界面和基体都有裂纹出现。涂层内的裂 纹产生，增加了局部应力，超出了基体的抗裂能力。 1 3 4 国内外热喷涂涂层残余应力研究现状 近年来，热喷涂层在各行业中的应用日益广泛，但服役期间涂层的磨损和剥落仍 是涂层失效的主要方式。涂层的磨损和剥落失效涉及因素很多，其中许多因素都与涂 层的残余应力有关。热喷涂层残余应力的研究一直是各国学者热门研究领域。 、国内研究现状 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 王志平f 2 s 等利用改进的a l m e n 试验方法对多种热喷涂涂层的残余应力进行了测试 与分析。首次提出了热喷涂涂层应变滞后于温度或外加应力这种现象的物理模型并提 出了因热喷涂涂层本身的多孔特性而引起的“气塞”作用是造成这一现象的主要原因。 试验证明了热喷涂涂层的残余应力与涂层的厚度是线性关系，并且无论涂层的残余应 力是压应力还是拉应力，它们都随涂层厚度的增加而增大。张显程【2 9 1 等采用有限元方 法研究了等离子z r 0 2 n i c o c r a l y 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。结果显示，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 z r 0 2 + 5 0 n i c o c r a l y 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。范群波【3 0 】等采用有限元数值模拟方法，研究功能梯度材料中金属陶瓷熔融颗粒高 速碰撞到基体后的瞬态压力分布、变化过程及其影响因素。结果表明，发生碰撞后， 熔融颗粒沿着接触界面迅速均匀地铺展开。而且随着颗粒高度的减小，铺展直径增大。 在碰撞过程中，粒子的动能在碰撞区造成压力p ，随着时间的延长，压力迅速扩展并释 放，最后趋于0 。碰撞区前端各单元与基体碰撞后，压力值均表现为突然增大到一峰值， 随后呈一振荡衰减趋势，最后减至0 。颗粒整体的瞬态压力也存在一压力峰值，且同样 表现一振荡衰减趋势，这是由于压缩弹性波作用的结果。碰撞过程中，各单元的轴向 速度以不同速度减小为0 ，而径向速度则由0 逐渐增大，促成了熔融颗粒沿基体表面迅 速铺展开。熔融液滴的粘度对压力的影响甚微。瞬态压峰值与初始速度的平方及密度 均存在线性关系。因此在用等离子喷涂法制备功能梯度材料的过程中，若碰撞初始速 度大小相同，则密度较大的材料会形成更大的瞬态压力，有利于形成致密的涂层，但 喷涂速度应控制在适当范围内。孔德军【3 1 】等利用x 衍射技术测试了物理气相沉积a 1 2 0 3 纳米薄膜的残余应力，讨论了沉积温度、沉积速度和薄膜厚度等技术参数对残余应力 的影响。结果表明，随着沉积温度升高，a 1 2 0 3 薄膜残余应力值增大；当沉积速度增加 时，a 1 2 0 3 薄膜的残余应力增大，且从拉应力变为压应力；由于热膨胀系数的不同而产 生热拉应力和温度不同产生马氏体相变的残余压应力，残余应力值先是随着晶化温度 的升高而下降，然后随之而上升，在4 0 0 0 0 进行晶化处理时，残余应力值表现为最小； 残余应力随着薄膜厚度的增加而不断增大，当薄膜厚度较小时，薄膜残余应力的变化 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 比较平缓，残余应力值较小，有利于提高薄膜界面结合强度。 = 、国外研究现状 c r c l i m a 3 2 1 等利用r r l t ia i ：i 电镜和x r d 研究了在不同热环境下，陶瓷涂层孔隙 率对残余应力和弹性模量的影响。结果显示，涂层与粘结层呈现压应力，涂层表面应 力较低，在退火处理后，残余应力增加，但在热冲击之后残余应力变化较小。t o p a r l i 3 3 】 等人通过有限元分析w c c o 涂层的热循环对残余应力的影响。结果表明，由于w c c o 、 n i 砧涂层和基体的热力学性能的差异，在加热和冷却过程中，涂层会有一定的应力分 布。热应力分析显示，涂层中的拉应力要比压应力高，并且x 方向应力要比y 方向应 力高。j p i n a l 3 4 1 等采用x r d 方法对w c c o 涂层的残余应力进行了研究，并将结果与数 值模拟结果进行比较。结果显示，w c c o 涂层残余应力由骤冷应力和失配应变产生的 应力组成。残余应力随涂层厚度的增加而增加；且沿厚度方向呈梯度分布，靠近基体 时的残余应力比其他地方高。c l a r s s o n 【3 5 】等研究了功能梯度w c c o 复合材料的不同相 的应力。结果显示，w c 相表现为压应力，c o 相表现为拉应力，并且这两相的应力沿 深度方向呈梯度分布。j s t o k e s 3 6 】等研究了不同涂层厚度对w c c o 涂层的表面残余应 力的影响。文章比较了c l y n e 分析方法、x 射线衍射法及小孔法测得表面残余应力值。 结果显示，三种方法测得的残余应力值基本一致，涂层表面残余应力都随着涂层的增 厚应力会有一个转变，即从拉应力状态转变为压应力状态。 1 4 本论文研究的意义与内容 1 4 1 论文研究的意义 用热喷涂技术制备w c c o 复合涂层是目前科学研究的一个新兴重要领域。w c c o 涂层技术逐渐成为解决重大装备关键零部件耐磨的关键技术。 虽然国内外对w c c o 涂层的研究已有很多，但对w c c o 涂层力学性能的研究， 特别是对残余应力及疲劳性能的研究