界面形貌对涂层残余应力影响的数值模拟

陈艳霞，翟雪松

(太原科技大学应用科学学院，太原 030024)

为使金属工件能在高温条件下稳定工作，常采用等离子喷涂对其实行表面强化、局部修复或预保护[1]。涂层的结合包括涂层与基体表面的结合及涂层内聚的结合，但由于涂层与基体之间存在着较大的温度梯度和物理性能的差异，在涂层内部和界面上产生残余应力[2-3]。残余应力对涂层的质量和性能有着重要的影响，甚至导致涂层沿界面剥离并严重影响涂层的使用寿命[4]。已有研究结果表明，由热冲击导致的界面应力失配是影响热障涂层寿命的首要因素[5-6]。

采用有限元软件ANSYS的热分析模块，针对不同的界面形貌对残余应力的影响进行了数值分析，为提高涂层界面结合强度提供了理论依据。

1 数学模型的建立

图1 Al2O3/316L试样的几何模型Fig.1 The geometrical model of Al2O3

图1(a)为Al2O3/316L计算所用的圆柱模型，不锈钢基体厚度为5 mm，等离子喷涂涂层沉积于基体的上部，其厚度为0.3 mm，界面高度为0.1 mm.现采用轴对称模型如图1(b)所示，中心轴与基体表面交点为坐标原点，分别以平面、矩形及不同角度的三角形为界面形貌，其有限元计算模型以矩形为例如图2所示。因为基体厚度远大于涂层厚度，计算中取涂层作为分析对象，将基体的热变形作为边界条件。

运用ANSYS的热-结构分析模块对等离子喷涂过程进行了瞬态分析，采用间接耦合法先用单元PLANE55完成温度场计算后，再将单元转换成PLANE182单元计算热应力。采用ANSYS前处理模块PREP7中的自由网格划分，在界面处将网格加密，如图2所示。

参照实际的热喷涂实验过程，设置试样的温度场边界条件，基体温度设为室温25℃，涂层温度为1150℃，忽略涂层与空气的对流换热，只考虑涂层与基体之间的热交换作用，计算时间为60 s.假设涂层、基体各层的热学、力学参数在计算中均为定值。各参数值如表1所示。

2 有限元计算结果分析

图2 界面形貌的计算模型Fig.2 Calculation model of the interfacial shape

表1 材料基本物性参数Tab.1 Basic parameters of materals

图3 温度分布图Fig.3 Distribution of temperature

图3表示系统温度分布云图。瞬态热分析60 s以后可以看出，平面界面时的温度相对大三角形界面的温度较高，但整体观察不同界面形貌的的各区域温度近乎相同，最值相差只有2℃ ～4℃，这说明涂层与基体已经基本达到共同冷却。在基体与涂层之间存在着较大的温度梯度，最大值达到了1574℃.

图4表示系统应力分布云图。各界面形貌的涂层比基体的应力相对较大，有明显的应力集中现象。由于涂层与基体的热膨胀系数不同，喷涂后基体出现残余拉应力，而涂层会产生残余压应力，其最值出现在涂层内部。

图4(a)、(b)、(c)、(d)为系统沿 x 方向应力分布图，图4(e)、(f)、(g)、(h)为系统沿 y方向应力分布图。比较各图可以看出，y方向的应力比x方向的要小得多，而沿xy方向的切应力更小，可见径向应力是喷涂残余热应力的主要表现形式，在涂层外边缘区域有了较大的应力集中现象。比较不同角度的三角形界面形貌可知，垂直于界面的拉应力及平行于界面的压应力随界面形貌角度的减小而减小，但其对温度和应力的影响并不显著。

图4 应力分布图Fig.4 Stress distributions diagrams

图5 系统沿x方向变形分布图Fig.5 Distribution of x-displacement

图5表示系统沿x方向的变形分布图。结果分析表明，由于基体与涂层热膨胀系数不匹配，使系统沿x、y方向均有一定的热变形，但由于涂层温度变化较大，其热变形比基体明显，系统在x方向变形较其它方向严重。

3 结论

界面为平面的涂层在降温过程中残余应力较小，但涂层内部应力集中较明显，其它界面形貌时应力集中相对较弱，但在凸峰和凹谷部分应力值较大。当涂层界面形貌为角度不同的三角形时，垂直于界面的拉应力及平行于界面的压应力随界面形貌角度的减小而减小，但其对应力的影响并不显著。界面形貌对x方向的残余应力影响较明显。

[1]王新洪，邹增大，曲仕尧.表面熔融凝固强化技术——热喷涂与堆焊技术[M].北京:化学工业出版社，2005.

[2]王洪，张坤，陈光南.界面形貌对热障涂层界面残余应力影响的数值模拟[J].金属热处理，2001，26(9):44-46.

[3]姚国凤，马红梅，王晓英，等.热障涂层界面形貌尺寸与残余应力的关系[J].金属热处理，2005，30(10):43-46.

[4]张显程，巩建鸣，涂善东，等.离子喷涂沉积过程与残余应力分析[J].压力容器，2003，20(1):33-36.

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[6]张雅琴，何宗霖.X射线衍射法测量冷轧带钢残余应力[J].太原科技大学学报，2009，30(1):44-47.