面向再制造的等離子噴涂層結(jié)構(gòu)完整性及壽命預(yù)測(cè)基礎(chǔ)研究.pdf

1、為了充分延長(zhǎng)零部件的服役壽命，再制造工程技術(shù)已經(jīng)在現(xiàn)代工業(yè)維修中發(fā)揮著重要的作用。再制造工程中，首先要對(duì)服役后的廢舊零件進(jìn)行評(píng)估，然后運(yùn)用包括熱噴涂在內(nèi)的先進(jìn)表面工程技術(shù)恢復(fù)并提升廢舊零部件的使用性能。但是，對(duì)再制造零部件結(jié)構(gòu)完整性和服役壽命進(jìn)行科學(xué)的評(píng)估及預(yù)測(cè)，是再制造工程中的一個(gè)重要組成部分。 本文針對(duì)等離子噴涂層結(jié)構(gòu)完整性技術(shù)及壽命預(yù)測(cè)進(jìn)行了若干基礎(chǔ)研究，為提高涂層性能提供一些可行的設(shè)計(jì)方案，這些研究為再制造工程的發(fā)展提供

2、了重要的科學(xué)依據(jù)。主要研究包括如下三個(gè)方面內(nèi)容：受殘余應(yīng)力影響的涂層熱力完整性、與過程工藝相關(guān)的等離子噴涂涂層微觀結(jié)構(gòu)完整性、與外加載荷條件相關(guān)的等離子噴涂涂層持久性能。 系統(tǒng)地研究了涂層殘余應(yīng)力對(duì)涂層熱力完整性的影響?；诹εc力矩平衡原理，建立了多層涂層、梯度涂層殘余應(yīng)力的理論模型，獲得了殘余應(yīng)力閉合解。深入研究了涂層材料性能和幾何尺寸對(duì)涂層殘余應(yīng)力分布的影響?；谕繉拥臍堄鄳?yīng)力分布，提出了多種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。分析了大量現(xiàn)存單層

3、涂層殘余應(yīng)力近似解所導(dǎo)致的誤差，并給長(zhǎng)期沿用的Stoney方程增加了一個(gè)修正系數(shù)。 研究了涂層塑性變形、蠕變和涂層結(jié)構(gòu)不連續(xù)性對(duì)涂層殘余應(yīng)力再分布及涂層熱力完整性的影響。發(fā)現(xiàn)如果涂層內(nèi)部的殘余應(yīng)力為同一狀態(tài)時(shí)，涂層內(nèi)部的塑性區(qū)厚度與溫差成正比；采用蠕變釋放率來分析了涂層發(fā)生蠕變變形時(shí)，涂層內(nèi)部殘余應(yīng)力分布規(guī)律。涂層結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力釋放率可以表征為蠕變應(yīng)變與涂層結(jié)構(gòu)失配熱應(yīng)變的比值。然后，基于材料強(qiáng)度理論，分析了邊緣效應(yīng)對(duì)涂層結(jié)構(gòu)殘余

4、應(yīng)力及界面應(yīng)力分布的影響，并獲得了涂層內(nèi)部及界面殘余應(yīng)力的閉合解；確定了涂層表面裂紋萌生的臨界應(yīng)變條件；基于界面剝離應(yīng)力的分布規(guī)律，建立了涂層抗分層失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。 系統(tǒng)研究了噴涂工藝對(duì)超音速等離子噴涂Ni-Cr-B-Si-C合金涂層微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響，試圖建立噴涂工藝-結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系圖譜。采用概率統(tǒng)計(jì)方法分析了不同噴涂工藝條件下，涂層孔隙率、微觀硬度、楊氏模量、殘余應(yīng)力等性能的變化。發(fā)現(xiàn)涂層的孔隙率及微觀力學(xué)性能(包括楊氏

5、模量和微觀硬度)是服從Weibull概率分布的。涂層內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)形貌和缺陷含量，影響著實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分散程度。隨著氫氣流量、功率的增加或送粉量的降低，涂層孔隙率下降。涂層的孔隙率與涂層的微觀力學(xué)性能沒有特定的關(guān)系，即不能通過涂層的孔隙率反映涂層微觀力學(xué)性能。但從整體趨勢(shì)來看，涂層微觀硬度和楊氏模量隨著涂層孔隙率的增加而降低。通過大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，獲得了涂層硬度、楊氏模量的名義值與涂層孔隙率的名義值的非線性關(guān)系曲線。實(shí)驗(yàn)證明了涂層彈性模量與

6、微觀硬度的之間的相互關(guān)系，即彈性模量與微觀硬度的平方根成正比。 采用接觸疲勞加速實(shí)驗(yàn)，研究了接觸應(yīng)力作用下，超音速等離子噴涂CrC-NiCr金屬陶瓷涂層的持久性能，提出了超音速等離子噴涂金屬陶瓷涂層接觸應(yīng)力—疲勞壽命耦合關(guān)系的函數(shù)方程。接觸應(yīng)力較高時(shí)，平行涂層試樣疲勞壽命分散程度較大。分析了涂層微觀結(jié)構(gòu)對(duì)涂層失效機(jī)制的影響。另外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，接觸應(yīng)力的大小與涂層的失效機(jī)制間沒有特定的聯(lián)系。當(dāng)載荷較低時(shí)，表面磨損和剝落為涂層的主