鈦基表面等離子滲氮涂層應(yīng)力仿真與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、金屬雙極板已成為降低質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）生產(chǎn)成本的主要研究熱點(diǎn)，而提高金屬雙極板的耐腐蝕性則是研究的關(guān)鍵問題。TiN涂層具有優(yōu)異的抗氧化性能、強(qiáng)的抗腐蝕性、良好的導(dǎo)電性等特點(diǎn)。利用等離子滲氮方法在鈦基表面獲得了TiN涂層，但涂層與金屬基體之間由于熱膨脹系數(shù)不匹配，存在一定的殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力過大，會導(dǎo)致基體和涂層結(jié)合強(qiáng)度下降，甚至涂層從基體脫落。本文利用有限元方法對殘余應(yīng)力進(jìn)行了模擬研究。 ⑴通過有限元法仿真對應(yīng)力研

2、究表明，TiN涂層一側(cè)主要受壓應(yīng)力，而在Ti基體內(nèi)部主要受拉應(yīng)力。隨著基體厚度的增加，涂層徑向應(yīng)力逐漸增加，剪應(yīng)力減少后略有上升。隨涂層厚度增加，涂層徑向應(yīng)力逐漸減少，mises應(yīng)力逐漸增加，剪切應(yīng)力先增加隨后又趨于平穩(wěn)；對于不同厚度的涂層考慮各應(yīng)力的影響和基體成本，Ti基體為0.6mm較合適?？紤]鈦基體為彈塑性時，在涂層和基體界面處有塑性屈服的現(xiàn)象發(fā)生，塑性變形的最大處正是在界面應(yīng)力奇異點(diǎn)附近，對應(yīng)力具有緩和作用。 ⑵在基體和

3、TiN涂層間引入過渡層Ti2N后，TiN陶瓷涂層應(yīng)力狀態(tài)保持壓應(yīng)力不變。隨著過渡層厚度增加，TiN陶瓷涂層中壓應(yīng)力逐漸減少，剪應(yīng)力和mises應(yīng)力則隨著過渡層厚度增加而逐漸增大，但增加緩慢，這有利于避免TiN涂層翹曲。此外，還考慮了等離子滲氮溫度對熱應(yīng)力的影響。模擬研究表明，溫度越高，涂層和基體徑向應(yīng)力、材料軸向應(yīng)力和剪應(yīng)力都隨溫度增加而逐漸增大，容易引起涂層的破壞，降低使用性能。因此在保證等離子滲氮涂層厚度、均勻性前提下，應(yīng)盡量降低等