激光原位反应制备Al2O3-TiO2涂层的温度场和应力场研究

摘要

热喷涂-激光原位反应技术是一种重要的表面改性技术，它既能改善涂层与基材之间的润湿性，提高涂层与基材的结合性能，还能细化涂层组织，使组织分布均匀，提高涂层的韧性、耐蚀性、耐磨性。但由于激光制备时高密度激光束的瞬态热输入导致完成后产生很大的热应力和变形，残余应力的存在影响零件的使用寿命，因此，对激光制备涂层与基材界面处应力的分析是十分必要的。本文用有限元模拟方法对 CLAM钢表面激光制备复相陶瓷涂层过程中温度场、应力场以及不同服役温度下的应力场进行研究：
　　1.将Ti粉、CrFe粉、FeAl50粉的按质量分数为1:2:2的比例配成复合粉末，利用热喷涂-激光原位反应技术在CLAM钢表面制备了Al2O3-TiO2复相陶瓷涂层。结果表明：涂层表面比较平整、无气孔、裂纹等缺陷，物相组成为 Al2O3、TiO2、Fe2TiO5、Fe-Cr、(Al.948Cr.052)2O3、(Al0.9Cr0.1)2O3，其中Al2O3、TiO2为主要物相。
　　2.激光制备陶瓷涂层时，涂层内部发生铝热反应，释放出一定的热量，将其作为移动热源的一部分。利用ANSYS软件中的APDL命令流编写高斯热源移动模型，导入到Workbench软件中，建立几何模型，对温度场和应力场进行模拟，得到应力场的分布情况和大小。
　　3．利用 ANSYS模拟单层多道涂层的温度场，分析不同时刻的温度场分布及变化曲线。结果表明，激光照射处的温度在短时间内上升到很高的温度，随着激光步数的增加，初始最高温度也在增加，为2700℃，扫描过后温度则骤然下降。同时，研究了预热温度、涂层厚度、激光工艺参数对温度场的影响，结果表明：激光功率和光斑直径对温度场的影响较大，扫描速度对温度场的影响较小，适当的预热温度可以提高涂层和基材之间的结合性能。
　　4.以温度场模拟结果为基础，分析了不同服役温度和不同工艺参数下涂层内部、界面处的应力变化。结果表明：涂层内为拉应力，界面处为压应力，最大应力存在界面处；随着服役温度的升高，界面处的应力逐渐降低；随着涂层厚度的增加，涂层内部的残余应力增大，但应力状态没有发生改变；随着激光功率的增加，残余应力也略有增加，但涂层、界面应力状态未发生改变；光斑直径和激光扫描速度对试样的应力场影响较大。
　　5.用实验的方法对试样的温度场进行验证，结果表明：有涂层试样比无涂层试样的光斑亮度大，这是由于陶瓷涂层中的Al会发生铝热反应，释放出大量的热，施加在涂层上的热源就相当于激光热源与铝热反应释放的热量叠加，从而增大了亮度。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景、目的、意义

1.2 激光熔覆数值模拟的进展

1.3 激光熔覆温度场和应力场模拟目前存在问题

1.4 本文研究的内容

第二章 Al2O3-TiO2复相陶瓷涂层的制备

2.1试样材料的选用

2.2涂层粉末配置及涂层的制备

2.3 复相陶瓷涂层表征

2.4 本章小结

第三章 有限元模型的建立

3.1 有限元软件概述

3.2 ANSYS Workbench热分析理论

3.3 数值模型的建立

3.4 物理模型的建立

3.5 本章小结

第四章 激光原位反应温度场的模拟分析

4.1温度场基本分析原理

4.2 温度场的模拟结果

4.3影响温度场的因素

4.4 本章小结

第五章 激光原位反应应力场的模拟分析

5.1 残余应力产生的原因及其分类

5.2 残余应力的测量方法

5.3 残余应力的数值模拟计算

5.4有限元弹性力学计算

5.5单层多道应力场模拟分析

5.6不同服役温度下残余应力的变化

5.7 工艺参数对残余应力场的影响

5.8 结论

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

攻读硕士期间的科研成果

附录

致谢