基于计算模拟分析厚耐磨性复合涂层

1、基于计算模拟分析厚耐磨性复合涂层摘要：一个计算机模型和仿真方法被开发，并应用到耐磨性复合涂层分析中。三个新的数值有限元模型被开发出来，包括典型的厚热喷涂和激光熔覆金属基体涂层的微观形貌。第一个是理想合成无缺陷的材料模型，第二个是先进的含缺陷的合成模型和第三个是基于图像的真实模型。一种热喷涂WC-CoCr涂层和激光熔覆WC-NiCrBSi合金涂层为特征对象，获得其微观结构，用于计算应力和应变模拟。该模拟进行了一组接触条件下的压痕和划痕试验。磨损特征在干燥条件下进行了橡胶砂轮测试和滑动接触针-磁盘测试的验证empirically实证分析。局部高曲率、缺口、异常大的颗粒、薄韧带或喉咙般结构的特殊材料

2、相、相通的碳化物集群或一个特定材料相的局部高分数等特征对所产生的应力状态和涂层的耐磨性有很大的影响。相对于参考钢表面，该涂层的复合结构将磨料磨损率降低了2-50倍，滑动磨损率降低了四个以上的数量级。关键词：模型化 磨损 复合物涂层1、引言磨损发生在产品、零部件和工具的顶面。根据耐磨性的要求，因此特别注重表面性质。先进表面工程提供了许多可能性去修改材料的表面性质，使其更耐磨，例如通过表面处理、薄膜沉积或稠密的表面涂层处理【1】。薄涂层在许多的摩擦学应用中表现优异，如今被广泛使用,如物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）涂层。然而，它们容易变得脆弱，尤其是在恶劣、高负载和高温条件下，这归因

3、于源自其微小厚度的材料和结构的限制，其厚度通常在1-3m的范围内，甚至更小。使用厚的复合材料涂层是制定复合材料表面特性的另一种解决方法。厚涂层的典型处理方法是热喷涂粉末熔覆，无论是作为焊接覆盖还是激光熔凝层。这些方法为产生独特的复合结构提供了一个灵活的路线，而厚涂层的典型厚度范围在150m-3mm，根据其它标准来选择基材，如合金价格、合金元素及其它添加剂的含量、机械强度、低重量【2-4】。在过去的几十年里，适用于厚涂层的无数混合涂层材料已经被开发出来，该混合涂层材料主要含有混合物、陶瓷复合材料、金属和聚合物。然而，在21世纪初已可能开发高性能材料，随着新制造方法的发展，广泛采用纳米技术并通过新

4、的诊断方法和更高的建模能力对材料进行更深入的认知【5-8】。颗粒增强复合材料由金属基体和分散的硬质颗粒组成，它为提高耐磨性要求提供了一个潜在的解决方案。磨损性能的改善往往被其它性能的恶化所抵消，如耐冲击性、耐腐蚀性。对于具体材料应用性能的制定和优化很重要，需要把所有的需求考虑在内【8-10】。由材料表面载荷引起的变形的计算机建模和仿真以及在接触负载下的应力应变的计算是一个今天正在迅速发展的研究方法。接触摩擦的建模和仿真有助于理解导致塑性变形、表面开裂、磨损颗粒形成和持续磨损的机理。数值模拟可以在各种尺寸规模的层面上进行，从纳米到宏观尺寸，利用软件表示从原子甚至亚原子到连续宏观和组成级的材料结构

5、【11-14】。材料的建模和仿真的方法已被用于接触力学【15】和结构的断裂力学【16】。基于有限元的相同方法已成功地被应用于提高对带有薄表面涂层的滑动接触磨损过程的认知【1,17-24】。涂层和基体系统的弹性和塑性响应的精确测量和接触几何测量使其可能模拟应力应变条件下的变形，计算断裂行为，评估薄涂层的磨损性能，均匀性和涂层表面性能以及影响材料和操作参数的效果。如PDV和CVD淀积涂层，薄的硬质涂层可以被建模为一个表面层系统，该系统中涂层与基体材料都被认为是均匀的，涂层与基体之间的相互作用以及几何特征是磨损行为的重要因素【1,19】。如热喷涂和激光熔覆涂层，厚的复合涂层需要以其复杂的复合材料微观

6、结构为依据建立模型，其微观结构包括颗粒、气孔、裂纹和基体中各种相，模型的建立是为了达到表示同实际情况关联的应力和应变模拟。复合材料的表面结构，如铸铁，WC-Ni合金，金属基复合材料和PVD纳米复合材料已被建立模型，主要是运用二维（2D）有限元法（FEM）和模式分析【25-29】。微观结构模型更精确地表述材料微观结构，它们已经在三维（3D）有限元建模的基础上被开发出来，例如多晶、SiC-Al合金和Ti6Al4V合金表面的微观结构【30-34】。微观模型为表示真实的材料而开发，它由基于图像横截面分析的数字技术而生成，图像通过扫描电子显微镜（SEM）和光学显微镜（LOM）而获得【35,36,13】。

7、三维微结构的表示可以用类似的方式产生，但需要采取表面之下的几层显微镜图像。维德克尔等人【37】获得表面下方15个并行LOM图像，这些图像通过研磨露出，其平均间距离为4m，并且他们将基于有限元的图像变形方法用于制造带有气孔和裂纹的热喷涂表面的三维微观结构材料模型。磨损过程的建模需要其它种类的建模技术，诸如Österle等人使用的可移动点格自动控制法（MCA）【38】，该磨损过程中材料从两个动态滑动摩檫移动的表面之间分离，其表面相互接触相互作用。另外有限元法可以通过考虑裂解机制而被应用，如哈末托比等人应用于厚涂层的研究工作【39】；或者通过考虑材料的磨损而被应用，如因安瓦尔等人的研究工作

8、【40】。离散方法对整体材料破坏和拆除过程的建模提供了几个优势，这已被Seleson等人用近场动力学的方法证明【41】。二维和三维微观结构的建模与仿真方法已经在带有气孔和裂纹的氧化铝、FeCrBSi金属和TiC/Cu镀层的机械性能特征仿真中被展示【37,42,43】。根据实际经验，可以知道尺寸、形状以及孔隙和裂缝的空间排列与取向对热喷涂涂层的材料特性有很大的影响【2,4】。由于孔隙可以增加材料的灵活性并阻止裂纹生长，所以孔隙率并不总是有害的。为了得到良好的摩擦表面特性，复合涂层的其它微观结构的材料参数需要优化，这些参数除了孔隙的相关参数外，还有大小、形状、密度和增强颗粒的间距以及界面粘结强度和

9、粘结剂的力学性能【27,29,33】。包括明确结构的厚复合涂层反应和特性的建模是落在介观范围内的分析方法。在目前情况下，最严格的附加要求设置在建模方法中，其需要处理涂层显微结构强弱的不连续性，这可以结合制定合适的有限元和扩展有限元的方法来实现。带有合适网格划分功能的有限元分析方法可以用于微观结构的建模，但强烈的不连续性和微观结构中的演变通常需要更精细的分析方法，如扩展的有限元法。本文旨在介绍如何建立一种以计算复合厚涂层耐磨性为目的的有限元模型。所开发的模型用于热喷涂WC-CoCr和激光熔覆WC-NiCrBSi涂层的应力和应变模拟。耐磨性分析是以微观层面的有限元建模为基础，同时进行压痕试验、划痕

10、试验、橡胶轮磨损试验和针-磁盘摩擦测试来验证该模型。2、 研究方法在此计算机建模和模拟研究中，我们在奥尔森之后使用被称为PSPP（处理 - 结构 - 性能 - 性能）的方法【11】，其插图说明如图1。以下三个环节需要建立模型，以实现表面耐磨性能的整体模型：（1） 磨损过程与材料表面特性之间的相互作用； （2）材料的性能与显微组织之间的相互作用； （3）微观结构和表面制造工艺之间的相互作用。用现有的知识去建立一个覆盖整个PSPP范围的计算模型往往是过于复杂。因此，本文所述方法更充分地利用了一步步建模的策略。本文先前已经叙述了如何通过有限元模型将材料的特性与薄而均匀的PVD和CVD涂层复合材料的接

11、触摩擦磨损行为特性联系起来。然而，热喷涂和激光熔覆的复合涂层并不均匀，所以在材料模型中有必要包括微观结构，于是覆盖SPP范围。将计算出的荷载条件同材料强度相比较，可以估计出材料变形、开裂、断裂和磨损的风险。仿真结果表明了不同的影响参数之间的相互作用，并有助于找到主要参数以进行优化。图1 PSPP方法将摩擦学设计性能标准同表面特性、微观结构和涂层处理联系起来计算机建模和仿真的方法是相当费力的，其需要对材料有好的基本理解和对现象有好的建模。然而，当一个有效的模型被建立，起信息是非常通用的，并且可以用于不同的应用中。一个基本的要求是该模型的有效性，其必须进行测试，该测试将模型的结果与相关实际验证的结

12、果比较。该计算机建模和仿真方法包括几个步骤，其结合了摩擦接触分析、软件开发、材料特性实验测试与数值分析。该方法开发了一个准确而通用的耐磨性优化方程，其步骤特点如下面的图2所示：（1） 确定接触摩擦的相关尺寸规模水平以进行优化。（2） 分析接触条件，并确定有可能的影响变量和参数。（3） 通过有限元法或分子动力学技术构件接触和材料模型。（4）确定该材料副的相关材料特性，如宏观、微观或纳米级的材料特性。（5）对所选择的材料和接触条件进行计算机模拟，以显示当前的应力、应变和变形。（6）将模拟结果同相同条件下的验证测量结果比较，已确认该模型的准确性。（7）基于脆韧性材料的磨碎机理计算裂纹产生和增长的趋势

13、，该结果可导致材料的分离。（8）用关键部位的应力应变峰值确定可能超过材料能力的主导变量。（9）进行主导变量的参数分析，以展示其重量和相互作用，并制定表面耐磨性方程，以确定其有效性和准确性的极限。图2 基于计算机材料建模及加载响应模拟的表面涂层的最佳耐磨性的优化方法可根据上述方法来开发耐磨损性方程，其通常被限制在一定接触机制的条件下，如剧烈的磨粒磨损、轻微滑动磨损、冲击疲劳磨损等。方程可以覆盖大范围的材料、几何形状和能量变量。仿真可以用The equation can cover a large range of material, geometry and energy variables.

14、Simulations can be done to explore the risk for surface failure and wear in various conditions.仿真仿真来探讨不同条件下的表面失效和磨损的风险。如图2所示的第一阶段的方程不显示累积的磨损过程，也不能预测相关磨损部件的寿命。它可以量化磨损引发的表面失效的风险，并可以表示为表面耐磨性（SWR）。它是一个可以被设计师所使用的工具，以提高表面材料的选择和增强机械零件的摩擦学设计【14】。本文先前已经叙述了薄而均匀的涂层表面的计算机建模和仿真的所有步骤，如图2所示，如TiN和DLC表面涂层【14,19-21,2

15、3,24,44】。这篇文章中将叙述热喷涂WC-CoCr和激光熔覆WC-NiCrBSi厚合金涂层复合材料的（1）到（6）步骤。步骤（7）到（9）目前正在进行中，以后将被单独报道。根据上面所描述的方法，以此目的开发的软件称为VTT适当调整。3、 材料及表征这项工作对两种典型的厚复合涂层的耐磨性进行了表面涂覆层建模和研究，这两种涂层为热喷涂WC-CoCr涂层和激光熔覆WC NiCrBSi涂层。两个涂层的典型结构如图4a和图5a所示。热喷涂涂层的沉积通过用氢气作为燃料气体的高速氧燃料（HVOF）系统完成。该涂层结构由密集的带有厚度为5-20m典型层片的填充层片和直径为10-50m层片组成。该结构包括随

16、机分布的裂缝、空隙和毛孔。CoCr金属基体环绕着WC硬质颗粒并包括该部位的脱碳区域，如图4a所示。激光熔覆涂层的金属基体材料是含Cr、B、Si合金元素的Ni基合金。粒径在45-106m之间50球形的稠合WC粉末作为强化相被加入。用3Kw的光纤耦合二极管和同轴的包层喷嘴进行激光熔敷。复合涂层结构中的球状WC颗粒分布在金属NiCrBSi合金基体中（如图5a），其中仅含有一些小的缺陷。两种涂层沉积都是在进行了590-710氧化铝喷砂处理的AISI 1018钢基体完成的，然后在丙酮浴中进行超声波清洗。为了得到模型准确的输入值，需要确定表面材料宏观层面的力学性能，也需要确定非常详细的两个复合结构的微观性

17、质。确定准确适当的微观尺度通常是一个相当大的挑战。在某些情况下，当没有合适的测量方法被使用时，就使用从文献中得到的值。两个涂层材料的结构和性质数据可以再表1中找到。另外，材料的数据使用给定的碳钢为参考材料。这用来作为参考与第8节中复合涂层的摩擦学性能比较。图3 一种理想合成无缺陷的典型WC-CoCr涂层的有限元网格，着色表示覆盖在微观几何形状的顶部元素的形态指标图4 （a）为来自SEM图像的WC-CoCr涂层的微观结构，（b）为相同实际模型结构的有限元网格图5 （a）为来自SEM图像的WC-NiCrBSi合金涂层的微观结构，（b）为相同实际模型结构的有限元网格表1 材料的结构和性能数据4、复合

18、涂层的建模 在下面是三个基本不同有限元模型生成程序的开发和运用的详细介绍。它们分别是： （i）一个理想的没有缺陷的合成材料模型， （ii）一个含有缺陷的先进合成材料模型， （iii）基于真实图像材料模型。这些定义反映了该部位的微观结构是怎么样简化，并且完成了数值建模和仿真的目的。我们使用了三种不同的模型来研究，因为每一组涂料都分别给出了一组结果，并且它们是相互补充的。合成的材料模型对理解通用材料在外载荷作用下的特性是有用的,并对识别相关关键和主导的磨损参数有用。该理想无缺陷的合成模型对调查通用材料的参数是有效的,因为他们以基线出现在在理想结构中,而先进的合成模型对研究相关材料中缺陷和孔隙的相互

19、作用效果是有效的。基于图像的真实模型给出了关于具体涂层结构材料详细而准确的研究，无论在微观还是宏观规模，该模型给出了关于变形和应力非常精确的信息，因为它们根据该材料的具体负载而出现。4.1 合成和真实图像的基础材料模型4.1.1 合成材料的模型合成模型是基于一个数学描述的实际微观结构。它们包含的评价和的显微结构特征及其分布定量如加强颗粒大小，形状和密度，并进一步通过统计和随机所确定的性质表示。通常，这包括例如在两个或三个维度上的镶嵌方法，为了获得或者简化模型的聚合类型，或介观模型组件和表征类型解决方案领域的模型。合成的模型可以基于任一多边形或三维像素/像素相位的几何形状，或两者组合的表示形式。该最常见的合成方法是应用各种镶嵌技术生成晶粒几何体，通常是适用于多晶材料。对涉及分析金属材料的基于镶嵌法的合成聚合已经被Fritzen【45】和Quey【34】等人提出。将有所不同的路建立数值模型的原因在于可能使用它们提取不同性质的结果。理想的合成模型相当接近实际的微管结构和纳米结构，但它们有可取限制控制变量的数量结构属性。因此，简单的合成模型可以基于结构特性提供答案和解释，如形状、尺寸、平均自