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涂层结合强度的试验研究及有限元分析

周伟  
【摘要】:热喷涂层与基体的结合强度是衡量涂层质量的重要指标。为改善热喷涂层的结合性能,本文通过对六孔环形空气加速喷嘴的设计和保护气氛烧结炉的改造,并提出烧结后处理工艺,从而改善了涂层/基体界面的结合。 采用光学显微镜(OM)以及扫描电镜(SEM)观察涂层界面的显微组织。结果表明,热喷涂烧结后处理工艺明显改善涂层的结合。通过对Ni-Al涂层中温反应烧结界面成分分布特性的研究,表明涂层界面的结合并非纯扩散所致,界面局部非平衡多元体系的演变可能是涂层产生冶金结合的主要原因。 先采用楔形加载方法评价涂层结合强度。并提出更为可行的改进拉伸法,即采用线切割沿涂层/基体界面切成对称楔形切口或深U形切口,涂层、基体与界面平行自由边分别由相应尺寸的拉块粘结,然后在拉压试验机上直接拉伸的实验方法对具有高强度的热喷涂烧结涂层抗拉结合强度进行实验研究。得到涂层破坏时涂层与基体界面连接部分的平均应力。 通过理论估算,并借助有限单元法对不同切口几何结构参数所对应的涂层/基体交界面上的应力分布及切口附近的应力集中进行了简化的二维有限元分析和三维有限元分析,为评价涂层与基体的结合强度提供了依据。其中,由二维应力状态下有限元解所确定的临界状态下的应力集中,作为实验评价涂层实际结合强度的主要依据。 由于目前高强度涂层结合性能评价无标准值可供参考。因此,对于一批低强度涂层采用上述相同的评价方法。并证实了此方法的可行性。 按此方法对不同工艺参数的热喷涂烧结涂层结合强度进行评价。试样在拉应力作用下,切口尖端应力集中明显,促进涂层/基体弱界面的脆性断裂;此改进的带切口的拉伸方法可对高强涂层与基体的结合性能进行评价。


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