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PVD氮化物涂层的抗热冲击性能研究

2020-12-10阅读(949)

PVD氮化物涂层的抗热冲击性能研究

论文摘要

涂层刀具在进行切削时,由于切入时的急剧升温和切出时的急剧降温或切削液的冷却作用使涂层刀具在极短的时间内产生剧烈的温度变化,对涂层刀具产生比较强的热冲击。涂层在热应力的作用下可能产生裂纹、褶皱或是脱落,从而造成涂层刀具的过早失效,因此合理评价涂层的抗热冲击性能显得非常重要。本文采用激光热冲击的方法对四种典型的PVD氮化物涂层(TiN、CrN、TiAIN、AlCrN)的抗热冲击性能进行了系统的研究。论文基于傅里叶热传导理论和弹性热力学理论,首先对涂层在激光热冲击下的温度场和应力场进行理论分析,分析出涂层在激光热冲击下发生破坏失效的原因。通过有限元方法模拟了涂层在不同加载条件下温度和应力的分布状况,研究了涂层厚度、过渡层、激光功率密度以及涂层材料等因素对于温度场和应力场的影响规律。结果表明：在相同的激光功率密度下,涂层的厚度越厚则在涂层中产生的热应力越大,但是由于涂层的临界应力提高,涂层抗热冲击性能提升；通过加入热物理性能参数介于涂层和基体的过渡层,可以提高涂层的抗热冲击性能：激光热冲击过程中产生的热应力随激光功率密度的增大而增大,当热应力达到临界应力时涂层发生破坏失效,将此时的激光功率密度作为评价涂层抗热冲击性能的参数,有限元计算得出TiN、CrN、TiAIN和AlCrN四种PVD氮化物涂层的临界功率密度依次为32.88×108W/m2、45.53×108W/m2、32.62×108W/m2、46.81×108W/m2,临界功率密度越大则说明涂层的抗热冲击性能越好,所以抗热冲击性能由高到低顺序依次为AlCrN> CrN> TiN> TiAIN。采用激光热冲击试验研究了TiN、CrN、TiAIN和AlCrN四种PVD氮化物涂层的抗热冲击性能。试验结果表明：涂层在激光热冲击之后的失效形式为涂层表面出现网状裂纹,并且裂纹的宽度与激光功率密度成正比,当激光功率密度降低到一定值时,涂层表面裂纹消失,将此时的激光功率密度作为涂层的临界功率密度；试验得出TiN、CrN、TiAIN和AlCrN四种PVD氮化物涂层的临界功率密度依次为19×108W/m2、51×108W/m2、41×108W/m2、39×108W/m2,统筹考虑涂层厚度对涂层抗热冲击性能的影响,得出TiN、CrN、TiAIN和AlCrN涂层的抗热冲击性能由高到低的顺序为AlCrN> CrN> TiN> TiAIN,试验结果和仿真结果取得良好的一致性。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第1章 绪论
  • 1.1 课题研究的背景、目的和意义
  • 1.2 涂层的种类和制备工艺
  • 1.2.1 涂层的种类
  • 1.2.2 涂层的制备工艺
  • 1.3 涂层抗热冲击性能研究方法的国内外研究现状
  • 1.3.1 水淬法
  • 1.3.2 激光法
  • 1.4 课题研究的主要内容
  • 第2章 涂层激光热冲击过程的理论分析
  • 2.1 激光与材料的相互作用
  • 2.1.1 激光的基本原理和分类
  • 2.1.2 激光的吸收
  • 2.1.3 激光对材料的热作用
  • 2.2 涂层激光热冲击过程的温度场分析
  • 2.2.1 高斯热源
  • 2.2.2 热传导理论基础
  • 2.2.3 涂层激光热冲击过程温度场的数学描述
  • 2.3 涂层激光热冲击过程的应力场分析
  • 2.3.1 热应力理论基础
  • 2.3.2 涂层失效过程理论分析
  • 2.4 本章小结
  • 第3章 涂层激光热冲击过程的有限元模拟
  • 3.1 有限元法简介
  • 3.2 有限元模型
  • 3.2.1 几何模型
  • 3.2.2 网格划分
  • 3.2.3 材料的热物理性能参数
  • 3.2.4 边界条件和初始条件
  • 3.2.5 求解
  • 3.3 涂层制备过程残余应力分析
  • 3.4 涂层激光热冲击过程的温度和应力变化规律
  • 3.4.1 涂层激光热冲击过程的温度分析
  • 3.4.2 涂层激光热冲击过程的应力分析
  • 3.5 涂层厚度对涂层抗热冲击性能的影响
  • 3.6 过渡层对涂层抗热冲击性能的影响
  • 3.7 激光功率密度对涂层抗热冲击性能的影响
  • 3.8 不同涂层材料抗冲击性能分析
  • 3.9 本章小结
  • 第4章 PVD氮化物涂层激光热冲击试验研究
  • 4.1 试验方案的确定
  • 4.2 试验条件
  • 4.3 涂层材料
  • 4.3.1 结合力的测定
  • 4.3.2 涂层厚度的测定
  • 4.3.3 涂层硬度的测定
  • 4.3.4 涂层表面形貌和成分的测定
  • 4.4 试验结果与分析
  • 4.4.1 TiN涂层临界功率密度与热冲击破坏机理分析
  • 4.4.2 TiAlN涂层临界功率密度和热冲击破坏机理分析
  • 4.4.3 CrN涂层的临界功率密度和热冲击破坏机理分析
  • 4.4.4 AlCrN涂层临界功率密度和热冲击破坏机理分析
  • 4.5 本章小结
  • 第5章 结论
  • 参考文献
  • 致谢
  • 攻读硕士学位期间发表的论文
  • 学位论文评阅及答辩情况表

    • 相关论文文献

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