等離子噴涂熔滴沉積凝固后的殘余應(yīng)力分析

陳艷霞,李興莉,晉艷娟,張俊婷,馬 騰

(太原科技大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院,太原030024)

等離子噴涂技術(shù)是一種表面熔融凝固強(qiáng)化技術(shù),能直接針對(duì)許多貴重零部件的失效原因,實(shí)行局部表面強(qiáng)化、修復(fù)、預(yù)保護(hù),以達(dá)到延長(zhǎng)使用壽命或重新恢復(fù)使用價(jià)值的目的;其工作原理是利用各種熱源,將欲噴涂的固體涂層材料加熱至熔化或熔融狀態(tài),借助于高速氣流的物化效果使其形成微細(xì)熔滴,噴射沉積到經(jīng)過(guò)預(yù)處理的工件基體表面形成堆積結(jié)構(gòu)涂層,如圖1所示[1]。

圖1 噴涂過(guò)程示意圖Fig.1 The thermal spray process

涂層形成首先是以熔粒狀態(tài)高速撞擊基體或已冷卻的變形層狀涂層表面,熔粒的動(dòng)能有助于變形的擴(kuò)展,但隨著熔粒溫度被基體帶走,其表面張力會(huì)阻止這種擴(kuò)展,并產(chǎn)生收縮和凝聚應(yīng)力,這些應(yīng)力隨著涂層厚度的增加而增加,應(yīng)力積聚造成涂層整體的殘余應(yīng)力,最終可能大于涂層與基體間的黏附力,以及自身的內(nèi)聚力而導(dǎo)致涂層失效。熱噴涂材料的失效形式主要表現(xiàn)為界面“層離”。這不僅與材料界面狀態(tài)有關(guān),還與殘余應(yīng)力密切相關(guān),殘余應(yīng)力是影響界面韌性和結(jié)合強(qiáng)度的主要因素。因此,正確理解引發(fā)殘余應(yīng)力的機(jī)理對(duì)其預(yù)測(cè)與控制有著重要的作用。文獻(xiàn)[2]指出殘余應(yīng)力主要依賴于涂層沉積的傳熱過(guò)程,按其產(chǎn)生的機(jī)制可以分為驟冷應(yīng)力和冷卻應(yīng)力兩種[3-4]。本文應(yīng)用ANSYS的熱分析模塊,對(duì)熱噴涂過(guò)程中熔滴沉積凝固后的殘余應(yīng)力進(jìn)行有限元分析,得到熔滴的溫度分布和應(yīng)力分布,為等離子熔積成形技術(shù)的應(yīng)用提供理論參考依據(jù)。

1 建立數(shù)學(xué)模型

等離子噴涂過(guò)程中,熔滴在基體表面沉積后,發(fā)生散流變形的同時(shí)與基體發(fā)生熱交換,最終凝固成片狀固體顆粒,基體在建模過(guò)程中取遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于熔滴顆粒的尺寸。建立二維軸對(duì)稱模型,分析過(guò)程中取子午面進(jìn)行求解,如圖2所示。

運(yùn)用ANSYS的熱-結(jié)構(gòu)分析模塊對(duì)等離子噴涂過(guò)程進(jìn)行了瞬態(tài)分析,采用間接耦合法即先用單元PLANE55完成溫度場(chǎng)計(jì)算后,在此基礎(chǔ)上再將單元轉(zhuǎn)換成PLANE42單元計(jì)算熱應(yīng)力。參照實(shí)際的熱噴涂實(shí)驗(yàn)過(guò)程,設(shè)置試樣的溫度場(chǎng)邊界條件,基體溫度設(shè)為室溫25℃,熔滴溫度為1 300℃,忽略熔滴與空氣的對(duì)流換熱。以鎳基高溫合金為涂層材料,Q235鋼為基體材料,基本物性參數(shù)分別見表1和表2.

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 溫度場(chǎng)分析

圖3(a)為熔滴經(jīng)過(guò)100 μ s時(shí)的溫度場(chǎng)分布,圖3(b)為熱噴涂表面冷卻至25℃時(shí)的變形。溫度云圖顯示高溫區(qū)域主要集中在熔滴的中間頂端部分,最大值達(dá)到755℃;低溫區(qū)域表現(xiàn)為熔滴散流變形的尾部,最低值為29.2℃。由此可見,涂層與基體之間存在較大的溫度梯度。圖3(b)圖顯示熔滴沿x、y方向均有一定的熱變形,但是在y方向變形較嚴(yán)重,這是由于基體與涂層的熱膨脹系數(shù)不匹配造成的。

圖2 熔滴有限元模型Fig.2 Finite element model of droplet

表1 熔滴的物性參數(shù)Tab.1 Material properties of droplet

表2 基體的物性參數(shù)Tab.2 Material properties of base material

圖3 熔滴溫度與變形分布圖Fig.3 Contours of temperature and displacement of droplet

2.2 應(yīng)力場(chǎng)分析

圖4顯示了瞬態(tài)分析時(shí)間100 μ s后的熔滴應(yīng)力分布云圖。圖4(a)、(b)為熔滴與基體交界面上的徑向應(yīng)力和軸向應(yīng)力變化曲線,圖4(c)、(d)為以MPa為單位的熔滴徑向應(yīng)力和軸向應(yīng)力,圖4(e)、(f)為1/4個(gè)熔滴的三維徑向應(yīng)力和軸向應(yīng)力。各圖顯示熔滴比基體的應(yīng)力整體較大,有相對(duì)較大的應(yīng)力突變現(xiàn)象。由于鎳基高溫合金材料的熱膨脹系數(shù)大于基體的熱膨脹系數(shù),噴涂后基體出現(xiàn)殘余拉應(yīng)力,而涂層因受到基底的約束而產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力,其最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在熔滴內(nèi)部靠近基體的一側(cè)。切應(yīng)力更小,可見徑向應(yīng)力是噴涂殘余熱應(yīng)力的主要表現(xiàn)形式。

3 結(jié)論

等離子噴涂過(guò)程殘留在熔滴、基體的熱殘余應(yīng)力的主要形式都為徑向應(yīng)力,由于熔滴熱膨脹系數(shù)大于基體的熱膨脹系數(shù),噴涂后基體出現(xiàn)殘余拉應(yīng)力,而涂層會(huì)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。殘余應(yīng)力對(duì)涂層的質(zhì)量和性能有著重要的影響,合理的控制殘余應(yīng)力可以有效地提高界面韌性和結(jié)合強(qiáng)度,從而提高工件的使用壽命。

圖4 熔滴應(yīng)力場(chǎng)分布圖Fig.4 Contours of stress distribution of droplet

[1]王新洪,鄒增大,曲仕堯.表面熔融凝固強(qiáng)化技術(shù)——熱噴涂于堆焊技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

[2]張小平,胡建華,常振羅,等.無(wú)縫管穿孔頂頭表面合金化的新技術(shù)[J].太原重型機(jī)械學(xué)院學(xué)報(bào),2000,21(3):187-190.

[3]PAWLOWSKI L.The science and engineering of thermal spray coatings[M].New York:John Wiley＆Sons,1995.

[4]張雅琴,何宗霖.X射線衍射法測(cè)量冷軋帶鋼殘余應(yīng)力[J].太原科技大學(xué)學(xué)報(bào),2009,30(1):44-47.