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激光熔覆颗粒增强复合涂层的力学性能及损伤破坏机理研究

顾盛挺  
【摘要】:激光熔覆颗粒增强复合涂层材料,由于其高硬度、耐磨损、耐高温等优越和特殊的性能,在机械制造、石油化工、核工程、汽车工业、航空航天等恶劣和特殊环境下工作的机械零件和元件中得到了越来越广泛的应用。然而复合涂层在受到不同形式的载荷作用时,内部会发生颗粒断裂、颗粒与基体的界面开裂等各种形式的损伤;另外,涂层的微孔洞、微裂纹等缺陷是激光熔覆过程中很容易出现的一个质量问题,这些缺陷的存在会加剧涂层的开裂破坏行为,因此需要对激光熔覆复合涂层的力学性能以及损伤机制作进一步深入系统的研究。 本文以激光熔覆H13-TiC复合涂层为研究对象,研究了复合涂层的宏观力学性能和微观损伤机理;借助纳米压痕仪测量复合涂层的微区力学性能,并结合弹塑性有限元方法计算颗粒的断裂强度;以细观力学理论为基础,结合损伤力学、塑性力学和实验研究结果等,提出一种颗粒增强复合涂层材料损伤本构模型,以有限元软件ABAQUS子程序UMAT为基础,研究分析细观结构对颗粒增强涂层材料力学性能以及损伤破坏的影响。研究工作为提高复合涂层的强度分析水平以及优化激光熔覆工艺奠定理论和实验上的基础。本文的主要工作和成果如下: 1.利用合适的激光加工工艺,在模具钢(H13)表面制备H13-TiC复合涂层。测试了不同TiC颗粒体积分数下H13-TiC复合涂层的力学性能,并结合扫描电镜(SEM)分析复合涂层的微结构演化。结果显示复合涂层在制备过程中产生许多微气孔,涂层的失效形式以颗粒断裂为主,在拉伸后期出现一些颗粒和基体界面开裂的现象,这对复合涂层的损伤本构模型提出奠定了实验基础。 2.采用纳米压痕仪,测得复合涂层TiC颗粒以及H13基体的弹性模量及硬度,研究分析了压痕位置与颗粒中心的距离、压入深度以及颗粒形貌对压痕结果的影响。建立颗粒压痕的有限元模型,结合压痕实验结果,计算TiC颗粒的断裂强度,实现利用纳米压痕技术表征陶瓷颗粒断裂强度的测试方法。 3.基于Mori-Tanaka均匀场理论,计算分析不同颗粒体积分数下复合涂层的弹塑性性能。另外,基于WeiBull损伤准则,描述颗粒在拉伸过程中的损伤状态,结合实验数据,计算WeiBull参数。 4.通过耦合Gologanu–Leblond–Devaux (GLD)细观损伤模型与Mori–Tanaka(M-T)均匀化方法,建立颗粒增强复合涂层材料损伤破坏的分析模型。把涂层制备过程中产生的微气孔作为损伤模型的初始孔洞,数值模拟分析孔洞形状、尺寸、分布、颗粒密度以及颗粒损伤等对复合涂层拉伸应力应变曲线以及断裂韧性的影响。最后对模型预测与拉伸实验结果进行比较,结果表明该模型能很好地描述激光熔覆复合涂层的损伤演化特征。


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