界面斷裂韌性與膜基結(jié)合性能關(guān)系的研究.pdf

1、涂層與基體的結(jié)合性能是膜基結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的重要力學(xué)性能之一,其表征評(píng)價(jià)方法多種多樣,但目前還沒有一種方法可適用于所有的膜基系統(tǒng)。對(duì)于致密性較差、且存在較多缺陷的熱噴涂層而言,可采用能量法評(píng)價(jià)體系,即通過界面裂紋擴(kuò)展能量釋放率與應(yīng)力相角表征熱噴涂層與基體的結(jié)合性能。相對(duì)于載荷法得到的膜基脫離所需臨界載荷值,建立在斷裂力學(xué)基礎(chǔ)上的能量法評(píng)價(jià)結(jié)果具有更清晰的物理意義,且更適合表征復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下的界面結(jié)合性能。本文在國(guó)家自然科學(xué)基金(No.50601

2、018)和上海市納米專項(xiàng)基金(No.0359nm005)資助下,對(duì)MoB-CoCr熱噴涂層與2Cr13鋼基體結(jié)合性能進(jìn)行了系統(tǒng)地研究,對(duì)能量法評(píng)價(jià)體系進(jìn)行了有益嘗試和探討,主要研究結(jié)果如下:
　　 采用能量法評(píng)價(jià)體系時(shí),必須首先知曉涂層的彈性模量,才能采用力學(xué)模型計(jì)算出界面斷裂韌性,而對(duì)涂層彈性模量的測(cè)量需根據(jù)涂層組織結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)合理地選擇測(cè)量方法。本文采用納米壓痕法、彎曲法、屈曲法對(duì)2Cr13鋼和Al塊體材料、(Ti,Al)

3、N和Ti薄膜以及MoB-CoCr熱噴涂層的彈性模量進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。研究中我們發(fā)現(xiàn),對(duì)于宏觀上組織結(jié)構(gòu)和性能均勻的塊狀樣品,納米壓痕法和彎曲法均可取得滿意的結(jié)果。然納米壓痕法測(cè)試結(jié)果反映的是測(cè)試微區(qū)的力學(xué)性能,對(duì)微區(qū)組織結(jié)構(gòu)相當(dāng)敏感,分散性大,且在大壓入載荷/深度條件下還受基底材料的影響。對(duì)于(Ti,Al)N薄膜/316L不銹鋼基體樣品,只有當(dāng)壓入深度<10％膜厚時(shí),基底材料的影響才能忽略,所測(cè)得彈性模量值才是可信的,否則為膜層與基底材

4、料共同作用的綜合彈性模量。彎曲法測(cè)試范圍大,測(cè)試結(jié)果反映的是試樣整體的力學(xué)性能,數(shù)據(jù)重復(fù)性好。因此,對(duì)致密度較差、且存在大量缺陷的MoB-CoCr熱噴涂層,彎曲法更適合測(cè)量其彈性模量。由于孔隙的存在會(huì)降低涂層樣品的整體剛度,在局部致密處采用納米壓痕法所測(cè)得的彈性模量通常高于反映涂層整體性能的彎曲法所測(cè)的彈性模量值。至于屈曲法,則在厚度非常薄的薄膜測(cè)量中更具優(yōu)勢(shì)。本文利用屈曲法對(duì)沉積在107硫化橡膠表面厚度僅100 nm Ti薄膜的彈性模

5、量進(jìn)行測(cè)量,得到彈性模量值為127 GPa。
　　 針對(duì)MoB-CoCr涂層與2Cr13鋼結(jié)合性能測(cè)量,本文在三點(diǎn)彎曲和四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)兩套研究方案。三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)使用單面涂層試樣,并利用涂層彎曲變形產(chǎn)生的拉應(yīng)力促使裂紋從涂層表面萌生并擴(kuò)展到膜基界面上。四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)使用sandwich結(jié)構(gòu)試樣,外層基體中有一預(yù)制缺口,且缺口底部靠近膜基界面。四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)通過缺口處集中的應(yīng)力(正應(yīng)力)作用于界面,促使界面裂紋萌生擴(kuò)展。利用有

6、限元模型對(duì)三點(diǎn)彎曲和四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)過程模擬,計(jì)算出系統(tǒng)能量的變化及裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng),結(jié)合斷裂理論計(jì)算出能量釋放率與應(yīng)力相角,完成對(duì)涂層與基體結(jié)合性能的評(píng)價(jià)。本文的彈塑性模型分析模型將金屬基體塑性變形所耗散的能量考慮到能量釋放率的計(jì)算模型中,相對(duì)于過去傳統(tǒng)的四點(diǎn)彎曲法彈性分析模型,更適合于熱噴涂層/金屬基體系統(tǒng)。兩種研究方案對(duì)MoB-CoCr與2Cr13鋼結(jié)合性能評(píng)價(jià)結(jié)果相近似:三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)得到能量釋放率為73 J/m2、應(yīng)力相角為36.8°

7、；四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)得到能量釋放率為76 J/m2、應(yīng)力相角為37.1°。
　　 由于涂層與基體材料的物性參數(shù)不同,在制備過程中涂層內(nèi)總存在有殘余應(yīng)力。涂層中殘余應(yīng)力會(huì)影響裂紋擴(kuò)展行為及界面斷裂韌性,進(jìn)而影響能量法結(jié)合性能評(píng)價(jià)。本文通過cohesive單元有限元模型模擬了裂紋在涂層中存在殘余應(yīng)力的條件下沿界面擴(kuò)展過程,發(fā)現(xiàn)殘余應(yīng)力會(huì)影響裂紋萌生及擴(kuò)展所需外力、裂紋長(zhǎng)度、撓曲涂層的位移及系統(tǒng)消耗的能量。在利用這些參量評(píng)價(jià)界面結(jié)合性能時(shí),

8、評(píng)價(jià)的結(jié)果必然受到殘余應(yīng)力的影響。
　　 本文根據(jù)彈性力學(xué),解出涂層中存在殘余應(yīng)力條件下圓形界面裂紋擴(kuò)展能量釋放率的解析表達(dá)式。該表達(dá)式將加載區(qū)作為有一定半徑的圓形區(qū)域,避免了以往將加載區(qū)近似為點(diǎn)所帶來(lái)的較大計(jì)算誤差,較點(diǎn)載荷近似模型應(yīng)用范圍更廣。此外,該表達(dá)式將殘余應(yīng)力引入到分析模型中,更適合分析涂層中有殘余應(yīng)力的情況。利用該表達(dá)式和有限元模型,對(duì)不同殘余應(yīng)力條件下的能量釋放率進(jìn)行數(shù)值分析,結(jié)果顯示殘余應(yīng)力對(duì)能量釋放率的影響呈