38CrMoAl与多种涂层材料的结合性能分析

鄢 强， 邓祥丰， 宋慧瑾， 吴明春， 何 玲(成都大学 机械工程学院， 四川 成都 610106)

0 引 言

目前，硬质涂层技术已被广泛应用于生产制造高性能的零部件当中，但如果镀层较薄将导致零部件在使用过程中涂层易发生脱落而失效[1-2].所以，有效提高硬质涂层的表面结合力一直是表面工程行业重要研究课题之一.例如，刘阳等[3]通过建立计算模型，利用有限元法进行仿真模拟，对裂纹尖端附近应力场进行分析处理；Upadhyayula等[4]分析了基材与涂层之间接触面上的应力集中问题，并利用仿真数值模拟的方法对多元涂层进行分析计算.在此基础上，本研究利用ANSYS workbench软件分析了38CrMoAl基材上不同涂层材料在不同载荷作用下的残余应力变化情况，拟为提高涂层零件的物理机械性能改善与结构优化设计提供一定的参考依据.

1 有限元模型

1.1 实体模型

通常，涂层厚度一般只有几微米[5]，相对于基体尺寸而言很薄，所以本研究只考虑涂层和界面附近基体的应力分布.实际上，涂层结合产生的残余应力主要分布在接触界面附近.本研究的实体模型如图1所示.基体的尺寸为0.2 mm×0.1 mm×0.05 mm，表面涂层厚度为1 μm，打底层厚度为100 nm.采用热—结构耦合单元，边界条件为：中心轴上所有节点施加关于YZ坐标平面的轴对称约束；基体底面上所有节点施加X方向的位移自由度约束；在模型上标记一个圆形印记，来作为载荷的施加点.

图1 实体模型示意图

1.2 基体及涂层材料性能

本研究的基体材料为38CrMoAl，其弹性模量(E)为2×105MPa，泊松比(v)为0.3.以Ti(200 nm)作为打底层，表面涂层材料分别为TiN(1 μm)、TiC(1 μm)、SiC(1 μm)、DLC(1 μm)，根据离子镀技术各层的具体工艺，从而得出其基本参数如表1所示[6-7].

表1 涂层材料参数

1.3 模型热力方程建立

目前，利用有限元法对耦合矩阵方程进行求解主要有两种方法.下面以有两个自由度的矢量({x1},{x2})进行说明.

1)强耦合(也包括矩阵耦合、同步耦合或全耦合)矩阵方程的形式表达为，

(1)

式(1)中的非对角矩阵[K12]和[K21]用来描述耦合效应的影响，这个方法在迭代进行一次之后，提供一个耦合响应(式(1)可从ANSYS软件中自带的help文件中查阅到的).

2)弱耦合(也就是负载向量耦合或顺序耦合)矩阵方程中的耦合在最一般的形式中表达为，

(2)

式(2)中耦合效应在[K11]和{F1}对{X2}的依赖以及{X1}上的[K22]和{F2}的依赖性中得到了解释.至少需要两个迭代来实现一个耦合响应.

在求解热—结构耦合分析问题时，强耦合对应的矩阵方程为，

(3)

弱耦合对应的矩阵方程为，

(4)

式(3)和式(4)中，

(5)

式中，[M]为结构质量矩阵；[C]为结构阻尼矩阵；[Ct]为比热矩阵；[Ctu]为热弹性阻尼矩阵；[K]为系数矩阵；[Kt]为导热系数矩阵；[Ktb]为材料导热系数矩阵；[Ktc]为对流表面导热系数矩阵;[Fnd]为应用节点力向量；[Fpr]为压力载荷矢量；[Fac]为加速度效应的力矢量；[Qnd]为应用节点热流量矢量；[Qg]为热生成速率矢量；[Qc]为对流表面向量[8].

1.4 网格划分与边界条件设定

1.4.1 网络划分.

模型的有限元网络划分如图2所示.其中，基体与涂层采用相对密度网格划分，由于基体与涂层受到温度与压力的影响，其内部会产生比较剧烈的应变，所以基体采用较大的网格密度，而涂层部位使用较疏的网格，在保证仿真精度的同时还可以节约计算时间，模型的节点数为60 344个，网格数为18 368个.在分析过程中，为防止仿真过程中单元畸变造成计算停止，采用自适网格重划技术使基体与涂层上的网格根据应变梯度、应变率梯度和温度梯度的分布情况自动重划和加密网格.

1.4.2 边界条件设定.

在边界条件设定时，为较好观察材料的残余应力变化状态，确保模拟的准确性，在材料表面施加温度载荷和应力载荷，以研究热膨胀和热收缩对材料应力的影响以及外部应力对材料残余应力的影响[9].假设条件为，材料初始温度从500 ℃下降到室温25 ℃，且由无应力状态到1 MPa压力的作用荷载下进行.

图2 模型的有限元网格划分

2 结果分析与讨论

在没有涂层保护的条件下，直接对基体进行热力耦合分析，得到在残余应力在基体上的分布情况，结果如图3所示.

图3 基体38CrMoAl的残余应力分布

由图3可知，最大应力基本覆盖住整个基体，随着温度与应力的逐渐扩散，基体内部的应力也由内而外增加，但应力的分布较为均匀，最大应力基本占据绝大部分.

2.1 基体与涂层的残余应力分布与影响

38CrMoAl基体分别与SiC、TiC、TiN、DLC涂层材料在热力耦合作用下的残余应力分布具体如图4所示.

图4 基体与不同涂层材料结合下的残余应力分布图

从图4(a)(b)(c)中可见，基体内的残余应力分布较为均匀，在涂层表面应力呈现点状分布，应力主要集中在界面靠近基体与涂层结合处.如涂层内的应力过大且过于集中，对提高材料的硬度和延长材料的疲劳寿命会造成影响.如应力只位于基体与涂层的结合处一侧，由于所分布的区域较薄且不均匀，该拉应力容易产生垂直于涂层界面的龟裂裂纹，导致涂层的撕裂或脱层，这也是导致涂层整体断裂或脱落的主要原因.相比于其他3种涂层，由于DLC材料的导热性较好，故能更好地将残余应力导向基体中，因此残留在涂层表面上的应力较小.

2.2 扩散距离与残余应力的关系

不同涂层与基体结合时，涂层整体、涂层界面和涂层表面处的最大切应力变化曲线具体如图5所示.

由图5可知，图5(a)的最大切应力主要在图5(c)涂层界面和图5(a)涂层表面产生，若涂层较薄时，涂层的切应力在涂层四周边界处产生.从图5(a)可看出，随着应力扩散距离的增加，涂层最大切应力的变化规律是先增加后降低再增加.当应力扩散距离较短时，涂层的最大切应力主要由涂层整体和涂层界面的最大拉应力决定(见图5(b)和图5(c))，且涂层整体的最大切应力呈现先减小后增大的特点，而涂层界面的最大切应力则是先急速减小然后保持平缓；当应力扩散距离较长时，涂层的最大拉应力主要由涂层表面的最大拉应力决定(见图5(a))，且涂层表面的最大拉应力与应力扩散的距离呈现非线性的关系，并出现2个较大的峰值，应力变化非常明显.相关研究也表明，涂层的最大拉应力随应力扩散距离的增加由涂层表面转移到涂层界面，这是由于涂层与基体的热膨胀系数存在较大的差异，涂层表面存在对流换热，造成两者的形变量有很大差异.当应力扩散距离较小时，涂层表面与界面的形变量差异较小；当应力扩散距离较大时，涂层表面与界面的形变量差异较大[10].从图5a可以看出，随着应力扩散距离的增加，涂层的最大切应力先急速减少然后保持稳定，其最大切应力主要由涂层界面决定，这也是导致涂层与基体之间最容易出现涂层剥落的主要原因.

图5 不同距离的最大切应力变化曲线图

3 结 论

本研究通过分析38CrMoAl基材上不同涂层材料在不同载荷作用下的残余应力变化情况，得出以下结论：

1)38CrMoAl材料受到外界的热力作用时，基体内部会产生较大的残余应力，根据不同涂层的性能，适当地添加表面涂层，能够改善材料内部的残余热应力分布情况，对提高界面及表面的结合强度，防止裂纹的出现有着重要作用.

2)当TiN、TiC、SiC涂层与38CrMoAl基体结合时，残余应力主要集中在涂层与基体的接触界面，在涂层表面与基体内部的分布较为均匀，而DLC涂层由于具有较好的导热性，能够快速地将残余应力导向基体中.

3)残余应力与扩散距离在涂层表面处呈现非线性的变化，而在涂层界面和涂层整体处则是随着应力扩散距离的增加，先急速下降再到基本保持不变的状态.