界面斷裂韌性與膜基結合性能關系的研究.pdf

1、涂層與基體的結合性能是膜基結構系統(tǒng)的重要力學性能之一,其表征評價方法多種多樣,但目前還沒有一種方法可適用于所有的膜基系統(tǒng)。對于致密性較差、且存在較多缺陷的熱噴涂層而言,可采用能量法評價體系,即通過界面裂紋擴展能量釋放率與應力相角表征熱噴涂層與基體的結合性能。相對于載荷法得到的膜基脫離所需臨界載荷值,建立在斷裂力學基礎上的能量法評價結果具有更清晰的物理意義,且更適合表征復合應力狀態(tài)下的界面結合性能。本文在國家自然科學基金(No.50601

2、018)和上海市納米專項基金(No.0359nm005)資助下,對MoB-CoCr熱噴涂層與2Cr13鋼基體結合性能進行了系統(tǒng)地研究,對能量法評價體系進行了有益嘗試和探討,主要研究結果如下:
　　 采用能量法評價體系時,必須首先知曉涂層的彈性模量,才能采用力學模型計算出界面斷裂韌性,而對涂層彈性模量的測量需根據(jù)涂層組織結構和性能特點合理地選擇測量方法。本文采用納米壓痕法、彎曲法、屈曲法對2Cr13鋼和Al塊體材料、(Ti,Al)

3、N和Ti薄膜以及MoB-CoCr熱噴涂層的彈性模量進行了系統(tǒng)的研究。研究中我們發(fā)現(xiàn),對于宏觀上組織結構和性能均勻的塊狀樣品,納米壓痕法和彎曲法均可取得滿意的結果。然納米壓痕法測試結果反映的是測試微區(qū)的力學性能,對微區(qū)組織結構相當敏感,分散性大,且在大壓入載荷/深度條件下還受基底材料的影響。對于(Ti,Al)N薄膜/316L不銹鋼基體樣品,只有當壓入深度<10％膜厚時,基底材料的影響才能忽略,所測得彈性模量值才是可信的,否則為膜層與基底材

4、料共同作用的綜合彈性模量。彎曲法測試范圍大,測試結果反映的是試樣整體的力學性能,數(shù)據(jù)重復性好。因此,對致密度較差、且存在大量缺陷的MoB-CoCr熱噴涂層,彎曲法更適合測量其彈性模量。由于孔隙的存在會降低涂層樣品的整體剛度,在局部致密處采用納米壓痕法所測得的彈性模量通常高于反映涂層整體性能的彎曲法所測的彈性模量值。至于屈曲法,則在厚度非常薄的薄膜測量中更具優(yōu)勢。本文利用屈曲法對沉積在107硫化橡膠表面厚度僅100 nm Ti薄膜的彈性模

5、量進行測量,得到彈性模量值為127 GPa。
　　 針對MoB-CoCr涂層與2Cr13鋼結合性能測量,本文在三點彎曲和四點彎曲試驗基礎上,設計兩套研究方案。三點彎曲試驗使用單面涂層試樣,并利用涂層彎曲變形產(chǎn)生的拉應力促使裂紋從涂層表面萌生并擴展到膜基界面上。四點彎曲試驗使用sandwich結構試樣,外層基體中有一預制缺口,且缺口底部靠近膜基界面。四點彎曲試驗通過缺口處集中的應力(正應力)作用于界面,促使界面裂紋萌生擴展。利用有

6、限元模型對三點彎曲和四點彎曲試驗過程模擬,計算出系統(tǒng)能量的變化及裂紋尖端應力場,結合斷裂理論計算出能量釋放率與應力相角,完成對涂層與基體結合性能的評價。本文的彈塑性模型分析模型將金屬基體塑性變形所耗散的能量考慮到能量釋放率的計算模型中,相對于過去傳統(tǒng)的四點彎曲法彈性分析模型,更適合于熱噴涂層/金屬基體系統(tǒng)。兩種研究方案對MoB-CoCr與2Cr13鋼結合性能評價結果相近似:三點彎曲試驗得到能量釋放率為73 J/m2、應力相角為36.8°

7、；四點彎曲試驗得到能量釋放率為76 J/m2、應力相角為37.1°。
　　 由于涂層與基體材料的物性參數(shù)不同,在制備過程中涂層內(nèi)總存在有殘余應力。涂層中殘余應力會影響裂紋擴展行為及界面斷裂韌性,進而影響能量法結合性能評價。本文通過cohesive單元有限元模型模擬了裂紋在涂層中存在殘余應力的條件下沿界面擴展過程,發(fā)現(xiàn)殘余應力會影響裂紋萌生及擴展所需外力、裂紋長度、撓曲涂層的位移及系統(tǒng)消耗的能量。在利用這些參量評價界面結合性能時,

8、評價的結果必然受到殘余應力的影響。
　　 本文根據(jù)彈性力學,解出涂層中存在殘余應力條件下圓形界面裂紋擴展能量釋放率的解析表達式。該表達式將加載區(qū)作為有一定半徑的圓形區(qū)域,避免了以往將加載區(qū)近似為點所帶來的較大計算誤差,較點載荷近似模型應用范圍更廣。此外,該表達式將殘余應力引入到分析模型中,更適合分析涂層中有殘余應力的情況。利用該表達式和有限元模型,對不同殘余應力條件下的能量釋放率進行數(shù)值分析,結果顯示殘余應力對能量釋放率的影響呈