基于微觀尺度的陶瓷硬涂層彈性模量及阻尼性能研究.pdf

1、硬涂層阻尼技術(shù)能夠提高構(gòu)件的阻尼能力、抗振動(dòng)疲勞能力，已經(jīng)逐漸應(yīng)用到航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等高端機(jī)械裝備的關(guān)鍵件上。典型的高阻尼硬涂層包含大量的內(nèi)部層狀界面以及空隙等，其斷面形貌表現(xiàn)出復(fù)雜的界面和微觀結(jié)構(gòu)，這些微觀結(jié)構(gòu)直接決定了結(jié)構(gòu)的力學(xué)、機(jī)械性能。近些年來，國際上針對(duì)涂層制備對(duì)涂層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響以及如何影響開展了大量研究，但是缺乏對(duì)涂層的微觀結(jié)構(gòu)與其力學(xué)性能及阻尼特性之間關(guān)系的研究。因此，在微觀尺度上研究硬涂層的結(jié)構(gòu)與其宏觀性能之間的關(guān)

2、系，有利于從更深層次了解阻尼涂層作用機(jī)制，對(duì)硬涂層的結(jié)構(gòu)及性能的主動(dòng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化具有重要意義。
　　本文以典型的陶瓷基硬涂層結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，基于其微觀結(jié)構(gòu)圖，采用圖像處理的方法建立其ABAQUS二維有限元模型，通過計(jì)算其彈性模量及損耗因子，研究了涂層微觀結(jié)構(gòu)與其彈性模量及阻尼特性的相互關(guān)系。本文主要工作內(nèi)容包括：
　?。?）利用大氣等離子噴涂方法制備兩組不同電弧功率下的8YSZ陶瓷基硬涂層，對(duì)比觀察其微觀形貌，結(jié)果表明：較高的

3、電弧功率能得到孔隙率相對(duì)較低的涂層樣件。
　　（2）在不同溫度下，采用 DMA測(cè)試方法對(duì)本文制備的兩組涂層樣件進(jìn)行試驗(yàn)分析，獲得其儲(chǔ)能模量及損耗因子隨溫度的變化曲線，結(jié)果表明：涂層儲(chǔ)能模量隨溫度的升高呈下降趨勢(shì)，損耗因子隨溫度的升高呈先增加后下降趨勢(shì)。且室溫下，實(shí)測(cè)得到孔隙率較低的涂層樣件a1的彈性模量為173.331GPa，損耗因子為0.003；孔隙率較高的涂層樣件a2的彈性模量為159.865GPa，損耗因子為0.0069。即

4、涂層孔隙率越高，儲(chǔ)能模量越低，損耗因子越高。
　　（3）采用圖像法對(duì)涂層微觀結(jié)構(gòu)金相圖進(jìn)行灰度處理，再提取其微觀結(jié)構(gòu)輪廓并進(jìn)行矢量化處理，進(jìn)而建立其微觀結(jié)構(gòu)二維有限元模型，基于均勻化方法求解其彈性模量，分別與本文制備的兩組涂層樣件及文獻(xiàn)中樣件的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，誤差分別為3%和7%，驗(yàn)證方法的有效性。
　?。?）通過對(duì)比選擇合適的微觀結(jié)構(gòu)特征參數(shù)將涂層復(fù)雜模型簡(jiǎn)化為含圓孔及線裂紋的二維模型，求解其彈性模量，并與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，

5、驗(yàn)證了簡(jiǎn)化模型的計(jì)算精度?；诖撕?jiǎn)化模型，對(duì)涂層微觀結(jié)構(gòu)與其彈性模量的關(guān)系進(jìn)行研究，同時(shí)研究了涂層彈性模量的應(yīng)變依賴性，結(jié)果表明：涂層的彈性模量隨著孔隙率的增大呈下降趨勢(shì)，隨著裂紋密度的增大呈下降趨勢(shì)，隨著孔隙大小均勻性的增大變化趨勢(shì)不明顯，且隨著應(yīng)變輸入的增大呈下降趨勢(shì)。
　　（5）通過圖像處理建立涂層含微觀裂紋的二維模型，設(shè)置裂紋面的摩擦接觸，進(jìn)而計(jì)算模型加載過程中裂紋面開閉的摩擦作用導(dǎo)致的能量耗散，再采用摩擦耗能及損耗因子表