热喷涂涂层残余应力产生及控制因素研究

论文摘要

由于热喷涂过程的自然属性,在喷涂涂层中产生残余应力是一个客观、不可回避的实际问题。应力的存在不仅直接影响涂层的硬度,降低涂层的自身结合强度以及涂层与基体材料的结合强度,还直接影响到工件的工作状况与疲劳寿命,有时还可能导致涂层裂纹,甚至涂层脱落,造成工件的失效。热喷涂涂层中的残余应力状态与涂层材料、喷涂方法、工艺参数以及工件的尺寸和形状有关。残余应力的大小依赖于系统被施加的热条件,并且与涂层沉积过程中的热分布,以及沉积后的冷却速度有关。因此从理论和实验上对残余应力进行深入研究,对获得高质量的热喷涂涂层和在再制造工程中的应用涂层技术都具有重大的理论和实际价值。本文分析了热喷涂涂层应力的形成机理,比较了几种常用残余应力的测试方法特点、适用范围和局限性。设计了专用实验装置,采用曲率法对不同喷涂温度下涂层的残余应力进行了测量与分析。通过一系列喷涂参数的变化,研究了喷涂参数变化对涂层应力状态的影响,结合SEM对涂层微观组织的观察与分析,研究了有相变过程的热喷涂涂层的残余应力的变化机制。通过结合电测法与曲率法测量了涂层的杨氏模量,为涂层的残余应力的深入研究提供了方法和数据方面的参考。实验结果表明:4Cr13涂层的杨氏模量为53GPa,65Mn涂层的杨氏模量为105 GPa,涂层的杨氏模量都小于原始材料的杨氏模量。喷涂时使涂层处于不同的温度,冷却到室温后涂层内的残余应力不同。对有相变的涂层来说,存在一个临界转变温度,使得涂层的残余应力方向发生转变,在该临界温度喷涂,涂层的残余应力为0。高于临界温度喷涂,获得拉应力涂层;低于临界温度喷涂,涂层处于压应力状态。对于4Cr13涂层转变的临界点约为260℃,65Mn涂层转变的临界点约为230℃。提高喷涂电流或喷涂电压都会使得涂层中拉应力比率升高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 热喷涂技术和热喷涂的应用
• 1.2 涂层残余应力的危害
• 1.3 残余应力测试方法现状
• 1.3.1 无损法
• 1.3.2 破坏法
• 1.4 杨氏模量测试方法现状
• 1.4.1 毫微压痕法
• 1.4.2 拉伸实验法
• 1.4.3 震动膜片实验法
• 1.4.4 梁弯曲实验法
• 1.4.5 鼓起实验法
• 1.4.6 表面波法
• 1.5 课题研究的目的及意义
• 第二章 实验材料及设备
• 2.1 实验材料
• 2.2 实验仪器及设备
• 2.2.1 电弧喷涂设备
• 2.2.2 XL2101B3+高速静态应变仪
• 2.2.3 WE3—600D型屏幕显示万能实验机
• 2.2.4 应变片
• 2.2.5 XMT-298数显调节仪
• 第三章 涂层杨氏模量的测量与分析
• 3.1 电弧喷涂预处理及工艺参数选择
• 3.1.1 喷涂前预处理
• 3.1.2 电弧喷涂工艺参数的设定
• 3.2 拉伸法测量涂层杨氏模量
• 3.2.1 实验原理
• 3.2.2 实验方法与步骤
• 3.2.3 实验结果
• 3.3 三点弯曲法测量涂层杨氏模量
• 3.3.1 实验原理
• 3.3.2 实验步骤
• 3.3.3 实验结果
• 3.4 分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 涂层残余应力的形成
• 4.1 涂层残余应力的来源
• 4.2 分析4Cr13和65Mn涂层的应力形成机制
• 4.3 对4Cr13和65Mn涂层的应力情况分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 涂层温度对涂层残余应力的影响
• 5.1 实验原理
• 5.2 实验方法
• 5.3 实验结果
• 5.3.1 4Cr13、65Mn的热膨胀系数
• 5.3.2 4Cr13的应力情况
• 5.3.3 65Mn的应力情况
• 5.4 分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 喷涂参数对残余应力的影响
• 6.1 喷涂参数的调整方法
• 6.2 喷涂参数对应力的影响
• 6.3 本章小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢