結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)等離子噴涂Mo/8YSZ功能梯度熱障涂層殘余應(yīng)力的影響

龐 銘,張嘯寒

（中國民航大學(xué)機(jī)場(chǎng)學(xué)院，天津300300）

為了順應(yīng)航天動(dòng)力高速化、輕量化的發(fā)展趨勢(shì)，新型航天動(dòng)力的熱端部件選用7A04輕質(zhì)高強(qiáng)鋁合金，這種材料具備塑性好、比強(qiáng)度高、耐蝕性能佳等多方面的優(yōu)勢(shì)特征[1-4]，但鋁合金材料的熱強(qiáng)度低，無法承受高溫?zé)崃鞯耐鶑?fù)沖擊，這也成為限制其在航天系統(tǒng)內(nèi)廣泛應(yīng)用的主要原因。借助干冰微束、壓縮空氣及循環(huán)水等方式進(jìn)行制冷作業(yè)時(shí)，一方面制冷效率較低，另一方面還會(huì)增加額外的制冷作業(yè)空間，與緊湊型動(dòng)力的發(fā)展理念相悖。通過提升材料自表面熱阻值的方式可實(shí)現(xiàn)良好的熱防護(hù)效果，目前可通過激光熔覆及等離子噴涂等工藝在待防護(hù)的基體表面制備擁有高熱阻值的熱防護(hù)材料，但激光在熔覆作業(yè)過程中，易導(dǎo)致涂層與基材產(chǎn)生大范圍的冶金結(jié)合，這勢(shì)必會(huì)影響基體材料固有的優(yōu)良力學(xué)性能。等離子噴涂是一種借助高溫高速等離子射流在基體表面沉積熱防護(hù)涂層的工藝，高速飛行的粉末粒子與基體的結(jié)合方式以機(jī)械結(jié)合為主，可最大限度地保留基體材料的優(yōu)良特性。但相比于冶金結(jié)合，機(jī)械結(jié)合會(huì)降低涂層與基材的結(jié)合強(qiáng)度，而采用功能梯度熱障涂層可實(shí)現(xiàn)金屬和陶瓷組元在涂層厚度方向熱物理性能的連續(xù)平滑過渡，緩和由于材料熱物性參數(shù)的失配誘發(fā)的過大熱應(yīng)力，提升涂層與基材的結(jié)合強(qiáng)度。

殘余應(yīng)力是影響涂層與基材結(jié)合強(qiáng)度的重要因素之一，在殘余應(yīng)力的作用下涂層內(nèi)部或涂層與基材結(jié)合面易萌生微裂紋，隨著裂紋擴(kuò)展，易造成涂層的剝離。結(jié)構(gòu)參數(shù)是影響涂層系統(tǒng)殘余應(yīng)力大小及分布的重要參數(shù)之一，相比于傳統(tǒng)的雙層熱障涂層，功能梯度熱防涂層的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)調(diào)配更為復(fù)雜，這是由于一種成分配比的涂層結(jié)構(gòu)參數(shù)變化就會(huì)影響整個(gè)涂層系統(tǒng)的殘余應(yīng)力分布。采用實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行涂層制備并開展殘余應(yīng)力測(cè)試的研究方法，勢(shì)必會(huì)存在耗時(shí)、耗能及耗材等弊端[5-6]，因此在進(jìn)行涂層系統(tǒng)的預(yù)研時(shí)，不會(huì)直接開展大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)研究，而是借助有限元軟件進(jìn)行前期的論證及研究工作。文政穎等[7]基于有限元的思想，通過建立等離子噴涂Sm2Ce2O7/YSZ熱障涂層的數(shù)值模型，研究了YSZ（氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯）層厚度對(duì)涂層系統(tǒng)熱應(yīng)力的影響，研究表明，將YSZ層的厚度控制在0.3mm時(shí)，涂層系統(tǒng)的熱應(yīng)力最小。王魯?shù)萚8]借助仿真商業(yè)軟件系統(tǒng)地分析了等離子噴涂制備氧化鋯陶瓷涂層時(shí)，陶瓷層厚度參數(shù)對(duì)涂層系統(tǒng)殘余應(yīng)力的影響。郭崇波[9]利用數(shù)值模擬軟件研究了超音速火焰噴涂工藝制備Fe41Co7Mo14C15B6Y2涂層，發(fā)現(xiàn)隨著涂層厚度的增加在涂層邊緣處將出現(xiàn)應(yīng)力集中。田甜[10]通過數(shù)值模擬軟件研究了等離子噴涂制備熱防護(hù)涂層時(shí)，陶瓷層厚度對(duì)涂層系統(tǒng)殘余應(yīng)力的影響，結(jié)果表明，當(dāng)陶瓷層厚度逐漸增大時(shí)，最大軸向壓應(yīng)力呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，徑向拉應(yīng)力與剪切應(yīng)力呈逐漸增大的變化趨勢(shì)。張紅松等[11]利用仿真軟件研究了2Cr13鋼表面等離子噴涂Sm2Zr2O7涂層，不同基體厚度對(duì)試樣殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)基體厚度不是影響Sm2Zr2O7系熱障涂層殘余應(yīng)力的主要因素。趙讓乾等[12]通過數(shù)值模擬研究揭示了涂層厚度對(duì)Sm2Ce2O7/YSZ涂層系統(tǒng)熱應(yīng)力的影響規(guī)律，隨著涂層厚度增加，涂層系統(tǒng)的殘余應(yīng)力和沖擊應(yīng)力降低。羅瑞強(qiáng)[13]借助數(shù)值模擬軟件研究了氧化鋯涂層厚度對(duì)涂層系統(tǒng)殘余應(yīng)力的影響，結(jié)果表明，涂層厚度參數(shù)越大，徑向壓應(yīng)力越小，涂層邊緣剪切拉應(yīng)力和邊緣軸向壓應(yīng)力越大。Abbas等[14]經(jīng)有限元計(jì)算發(fā)現(xiàn)，相比于單一的陶瓷涂層系統(tǒng)（LaTi2Al9O19），雙陶瓷層熱障涂層系統(tǒng)（YSZ/LaTi2Al9O19）的殘余應(yīng)力減小了近 120MPa。Khor等[15]通過構(gòu)建等離子噴涂ZrO2/NiCoCrAlY功能梯度熱障涂層的數(shù)值模型并計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，通過增大涂層的厚度參數(shù)可以進(jìn)一步減小涂層系統(tǒng)的殘余應(yīng)力值。綜合上述文獻(xiàn)報(bào)道可知，現(xiàn)階段針對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)涂層系統(tǒng)殘余應(yīng)力影響的研究多集中在傳統(tǒng)的雙層結(jié)構(gòu)的熱障涂層，仍缺乏針對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)鋁合金基材表面等離子噴涂Mo/8YSZ功能梯度熱障涂層殘余應(yīng)力影響的系統(tǒng)性研究。

本工作基于ANSYS數(shù)值模擬軟件，通過構(gòu)建鋁合金基材表面等離子噴涂Mo/8YSZ功能梯度熱障涂層的數(shù)值模型，揭示基材、黏結(jié)層、過渡層和陶瓷層的厚度參數(shù)對(duì)涂層系統(tǒng)殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。

1 數(shù)值模型的構(gòu)建

1.1 物理模型

圖1 物理模型Fig.1 Physical model

圖1 給出了等離子噴涂功能梯度熱障涂層的物理模型，基體與涂層均為直徑20mm的圓柱體，其中基體厚度為a mm，涂層厚度為b mm，在仿真計(jì)算時(shí)，通過設(shè)定a與b的數(shù)值，實(shí)現(xiàn)噴涂構(gòu)件結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)控。由于圓柱體模型底面圓半徑及基體厚度大于涂層系統(tǒng)的厚度，因此將基體表面等離子噴涂功能梯度熱障涂層的問題簡化為平面應(yīng)變問題[7]，如圖1所示，選取1/2縱截面進(jìn)行平面建模分析?；w材料為7A04鋁合金；黏結(jié)層材料為純鉬（Mo）金屬；過渡層材料為8%氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯（8YSZ）與 Mo按 75%Mo/25%8YSZ、50%Mo/50%8YSZ、25%Mo/75%8YSZ的混合比自下而上三層分布；陶瓷層材料為8YSZ。其中Mo既表現(xiàn)出優(yōu)良的抗燒蝕性能，又具備優(yōu)良的自黏結(jié)性能[16]，用作黏結(jié)層能夠?qū)崿F(xiàn)涂層優(yōu)良的抗拉性能；8YSZ具有高熔點(diǎn)、低導(dǎo)熱及高硬度的特性[17]，用作陶瓷層能夠?qū)崿F(xiàn)涂層優(yōu)良的抗燒蝕磨損性能。涂層失效多發(fā)生在基體與黏結(jié)層的界面，為了便于分析基體與黏結(jié)層界面及涂層邊緣處殘余應(yīng)力的數(shù)值大小及分布情況，以mm為坐標(biāo)值單位，選取點(diǎn) A(0,a)為起始點(diǎn)，點(diǎn) B(10,a)為終止點(diǎn)，起始點(diǎn)定義線段 AB 為監(jiān)測(cè)路徑 Path1，選取 C(10,a+b)為起始點(diǎn)，點(diǎn)D(10,0)為終止點(diǎn)，定義線段CD為監(jiān)測(cè)路徑 Path2。

1.2 有限元（FE）模型

圖2給出了等離子噴涂制備功能梯度熱障涂層的有限元（FE）模型。如圖2所示，由于存在多種涂層組元，故在FE模型中，采用不同顏色的單元加以區(qū)分表示，在ANSYS仿真軟件中，選用PLANE13四邊形四節(jié)點(diǎn)熱-力耦合線性2D單元，建立基體表面等離子噴涂功能梯度熱障涂層有限元模型，在等離子噴涂過程中和噴涂結(jié)束后的冷卻過程中，由于不同涂層組元的界面及涂層與基材的界面均存在一定程度的應(yīng)力集中情況，因此為了獲得更真實(shí)的計(jì)算結(jié)果，需將這些區(qū)域的網(wǎng)格做加密處理，網(wǎng)格尺寸為25μm，其他區(qū)域的網(wǎng)格無須加密，網(wǎng)格尺寸為0.2mm。借助ANSYS仿真軟件強(qiáng)大的“生死單元”功能，將涂層設(shè)定為“死”單元，基體設(shè)定為“活”單元，依據(jù)“增層模型”模擬涂層單層沉積的過程，其中單層沉積的涂層厚度為50μm。此外為了提高計(jì)算效率，在確保主要計(jì)算對(duì)象的有效性外，需做出相關(guān)假設(shè)[18-19]：（1）噴槍的有效噴涂區(qū)域覆蓋噴涂構(gòu)件上表面；（2）不同的涂層組元及涂層與基材均結(jié)合緊密；（3）忽略涂層內(nèi)部的微孔隙及氧化帶缺陷。

圖2 功能梯度熱障涂層有限元模型Fig.2 Finite element model of functional gradient thermal barrier coating

1.3 功能梯度熱障涂層的殘余應(yīng)力構(gòu)成

在等離子噴涂過程及噴涂結(jié)束后的冷卻過程中，由于溫度的變化會(huì)引起噴涂構(gòu)件內(nèi)部熱應(yīng)力發(fā)生改變，當(dāng)材料承受的熱應(yīng)力超過其屈服極限時(shí)，材料會(huì)產(chǎn)生塑性變形；當(dāng)噴涂構(gòu)件冷卻至室溫，產(chǎn)生的塑性變形不能恢復(fù)時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。涂層的殘余應(yīng)力對(duì)涂層的失效影響作用顯著，冷卻過程中，由于噴涂構(gòu)件各部分的冷卻速率、溫度梯度、峰值溫度和外在約束不同，因此勢(shì)必會(huì)存在殘余應(yīng)力[19]。

（1）熱失配應(yīng)力

在等離子噴涂過程及噴涂結(jié)束后的冷卻過程中，由于涂層與基材間以及先后沉積的涂層間均存在著不同程度的溫差及熱失配，在兩方面綜合作用下，導(dǎo)致噴涂構(gòu)件殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。熱失配應(yīng)力是噴涂構(gòu)件殘余應(yīng)力的主要應(yīng)力形式，其本構(gòu)關(guān)系式見式（1）：

式中：σtm為熱失配應(yīng)力，MPa；Ec為涂層的彈性模量，MPa；ν為涂層的泊松比；Δα為基材與涂層的熱膨脹系數(shù)之差，10-6℃-1；ΔT為高溫到室溫的溫度差，K。

（2）淬火應(yīng)力

經(jīng)高溫等離子射流加熱至熔融或半熔融狀態(tài)的粉末熔滴，高速撞擊到基材或已沉積的涂層上表面時(shí)，在溫差作用下，熔滴冷凝收縮時(shí)，受到基材或已沉積的涂層的約束，產(chǎn)生的由于淬火效應(yīng)引起的殘余應(yīng)力稱之為淬火應(yīng)力。淬火應(yīng)力的本構(gòu)關(guān)系可由式（2）表示：

式中：σq為淬火應(yīng)力，MPa；αc為涂層的熱膨脹系數(shù)，10?6℃?1；Tm為高溫融滴溫度，K；Ts為基材溫度，K。

（3）相變應(yīng)力

在等離子噴涂過程中，當(dāng)溫度超過涂層和基體材料的相變點(diǎn)時(shí)，材料發(fā)生相變導(dǎo)致材料的密度、彈性模量等發(fā)生變化，從而產(chǎn)生相變應(yīng)力。ZrO2陶瓷材料中添加8%Y2O3穩(wěn)定劑，能夠?qū)rO2陶瓷材料的相變起到一定的抑制作用，因此在等離子噴涂以及冷卻過程中，可不考慮功能梯度熱障涂層的相變應(yīng)力。

Mo/8YSZ熱障涂層的總殘余應(yīng)力可表示為：

式中：σ為功能梯度熱障涂層的總殘余應(yīng)力，MPa。

1.4 仿真計(jì)算的邊界條件

（1）初始條件：對(duì)基材進(jìn)行預(yù)熱處理可在一定程度上降低涂層的殘余應(yīng)力，工程上在進(jìn)行等離子噴涂的實(shí)操作業(yè)時(shí)，往往會(huì)對(duì)基材進(jìn)行預(yù)熱處理，為了真實(shí)模擬噴涂作業(yè)前的預(yù)熱處理，采用APDL命令流語言將基材的初始溫度值設(shè)定為100℃。噴涂作業(yè)前，外界環(huán)境溫度為25℃，整個(gè)噴涂構(gòu)件處于無應(yīng)力的初始狀態(tài)，在等離子噴涂功能梯度熱障涂層的過程中，噴涂粉末始終處于900℃[8]的環(huán)境中。

（2）熱邊界條件：試樣模型的右端面及上端面與外界環(huán)境進(jìn)行對(duì)流換熱，噴涂作業(yè)時(shí)加載的對(duì)流換熱系數(shù)大小為 30W/（m2?℃），冷卻過程中加載的對(duì)流換熱系大小數(shù)為 10W/（m2?℃）[9]，模型左端面及底面做絕熱處理。在等離子噴涂作業(yè)中，當(dāng)送粉結(jié)束后，等離子弧并非立即熄滅，而是存在短暫（約6s）的與噴涂構(gòu)件相互作用的過程，在涂層上表面加載熱流密度大小為 6×105W/m2[10]的高溫載荷。

（3）力邊界條件：由于圓柱體基材垂直放置于工作平臺(tái)表面，當(dāng)取1/2圓柱體的縱截面構(gòu)建平面模型時(shí)，需將涂層與基材的左端面及底面節(jié)點(diǎn)固定，限制其平面位移。

1.5 材料的熱物性參數(shù)

噴涂構(gòu)件各部分材料的熱物性參數(shù)是溫度的函數(shù)，若只考慮單一溫度下的熱物性參數(shù)，在仿真計(jì)算時(shí)，勢(shì)必存在較大的計(jì)算誤差，從而影響仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性?；w材料的熱物性參數(shù)來源于文獻(xiàn)[20]～[21]，黏結(jié)層材料的熱物性參數(shù)來源于文獻(xiàn)[22]～[23]，陶瓷層材料的熱物性參數(shù)來源于[24]～[26]。通過差值及外推的方法獲取各材料組元在未知溫度下的熱物性參數(shù)。其中功能梯度熱障涂層的過渡層材料的熱物性參數(shù)采用混合定律進(jìn)行計(jì)算[27]：

式中：i為材料編號(hào)；n為材料的個(gè)數(shù)；Xa為按照混合定律計(jì)算獲得的熱物性參數(shù)；Xb為按照對(duì)數(shù)定律計(jì)算獲得的熱物性參數(shù)；X為性能的有效值；K為材料在混合材料中所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2 結(jié)果分析與討論

圖3給出了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)噴涂構(gòu)件的最大殘余應(yīng)力，（+）”表示殘余拉應(yīng)力，“（－）”表示殘余壓應(yīng)力。由圖3可看出三種殘余應(yīng)力的變化規(guī)律：（1）徑向殘余應(yīng)力。隨著基體厚度的增加，噴涂構(gòu)件的最大徑向殘余拉應(yīng)力和最大徑向殘余壓應(yīng)力均減小，說明增加基體厚度可降低在徑向殘余拉應(yīng)力作用下涂層內(nèi)部橋狀裂紋的萌生概率和在徑向殘余壓應(yīng)力作用下產(chǎn)生的涂層翹曲缺陷[19]；隨著黏結(jié)層、過渡層和陶瓷層厚度的增加，噴涂構(gòu)件的最大徑向殘余拉應(yīng)力增大，最大徑向殘余壓應(yīng)力減小，其中殘余拉應(yīng)力的增加是由于熔滴在沉積冷凝的過程中表面收縮，基體或已沉積的涂層對(duì)熔滴產(chǎn)生了拉應(yīng)力的作用。涂層厚度增加的過程，也是粉末熔滴不斷沉積、冷凝和收縮的過程，這就造成了殘余拉應(yīng)力的不斷增加，隨著殘余拉應(yīng)力的增大，會(huì)進(jìn)一步增加涂層內(nèi)部垂直于界面橋狀裂紋缺陷的產(chǎn)生概率；隨著殘余壓應(yīng)力的減小，可減少涂層內(nèi)部分層及翹曲缺陷的產(chǎn)生[19]；當(dāng)改變黏結(jié)層厚度時(shí)，在噴涂構(gòu)件內(nèi)部，徑向殘余拉應(yīng)力為主要徑向殘余應(yīng)力形式，說明增加黏結(jié)層厚度會(huì)使得垂直于基體與涂層界面的橋狀裂紋成為導(dǎo)致涂層失效剝離的主要缺陷形式，然而改變過渡層或陶瓷層厚度時(shí)，在噴涂構(gòu)件內(nèi)部，徑向殘余壓應(yīng)力為主要徑向殘余應(yīng)力形式，說明增加過渡層或陶瓷層厚度會(huì)使得涂層翹曲成為涂層失效的主要缺陷形式。（2）軸向殘余應(yīng)力。隨著基體、黏結(jié)層、過渡層和陶瓷層厚度的增加，最大軸向殘余拉應(yīng)力增大，但軸向殘余壓應(yīng)力仍為主要的殘余應(yīng)力形式，隨著基體厚度的增加，最大軸向殘余壓應(yīng)力減?。浑S著黏結(jié)層和過渡層厚度的增加，最大軸向殘余壓應(yīng)力增大；隨著陶瓷層厚度的增加，最大軸向殘余壓應(yīng)力變化不明顯，說明增加基體厚度會(huì)降低涂層分層失效的概率，而增加黏結(jié)層或過渡層厚度，會(huì)使得涂層內(nèi)部產(chǎn)生過大的應(yīng)力集中。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，改變陶瓷層厚度對(duì)噴涂構(gòu)件軸向殘余壓應(yīng)力的影響并不明顯。（3）殘余剪切應(yīng)力。改變黏結(jié)層、過渡層或陶瓷層厚度對(duì)殘余剪切應(yīng)力的影響并不明顯，而增加基體厚度會(huì)在一定區(qū)間范圍內(nèi)降低殘余拉應(yīng)力，當(dāng)基體厚度增加至12mm時(shí)，隨著基體厚度的增加殘余拉應(yīng)力變化不明顯。

圖3 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)噴涂構(gòu)件的最大殘余應(yīng)力 （a）不同基體厚度，hs表示基體厚度；（b）不同黏結(jié)層厚度，hBL表示黏結(jié)層厚度；（c）不同過渡層厚度，hIL表示過渡層厚度；（d）不同陶瓷層厚度，hCL表示陶瓷層厚度Fig.3 Maximum residual stresses of sprayed component with different structural parameters （a）different thicknesses of substrates，hsrepresents thickness of substrate；（b）different thicknesses of bonding layers，hBlrepresents thickness of bonding layer；（c）different thicknesses of transition layers，hILrepresents thickness of transition layer；（d）different thicknesses of ceramic layers，hCLrepresents thickness of ceramic layer

圖4 給出了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下Path1徑向殘余應(yīng)力的變化曲線，正值為拉應(yīng)力，負(fù)值為壓應(yīng)力。對(duì)比圖4（a）～圖4（d）發(fā)現(xiàn)，基體與涂層界面的殘余應(yīng)力經(jīng)歷了由殘余壓應(yīng)力到殘余拉應(yīng)力的轉(zhuǎn)變過程，且不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)應(yīng)殘余應(yīng)力的分布區(qū)間不同：隨著基體厚度的增加，殘余壓應(yīng)力的分布區(qū)間增大，殘余拉應(yīng)力的分布區(qū)間減小，且應(yīng)力形式的轉(zhuǎn)變點(diǎn)逐漸向界面邊緣轉(zhuǎn)移，殘余壓應(yīng)力始終為主要?dú)堄鄳?yīng)力，這種應(yīng)力形式的轉(zhuǎn)變點(diǎn)附近易萌發(fā)微裂紋，在軸向殘余壓應(yīng)力的作用下，裂紋極易擴(kuò)展形成貫穿裂紋，最終造成涂層的剝離失效，說明增加基體厚度會(huì)使得界面缺陷的萌生位置向涂層邊緣靠近；隨著黏結(jié)層、過渡層或陶瓷層厚度的增加，殘余壓應(yīng)力的分布區(qū)間減小，殘余拉應(yīng)力的分布區(qū)間增大，且應(yīng)力形式的轉(zhuǎn)變點(diǎn)逐漸遠(yuǎn)離界面邊緣，說明增加涂層厚度會(huì)導(dǎo)致涂層的失效位置向中心區(qū)域轉(zhuǎn)移；改變黏結(jié)層厚度對(duì)基體與涂層界面殘余壓應(yīng)力的影響更為明顯，當(dāng)黏結(jié)層厚度為0.6～0.8 mm時(shí)，界面殘余拉應(yīng)力為主要?dú)堄鄳?yīng)力形式，在殘余拉應(yīng)力的作用下，涂層易產(chǎn)生垂直于界面的橋狀裂紋，這種裂紋會(huì)導(dǎo)致涂層開裂，但不會(huì)形成貫穿裂紋，相對(duì)于平行于界面的層狀裂紋而言更為安全。觀察圖 4（a）發(fā)現(xiàn)，在 0～5.5mm的路徑范圍內(nèi)，隨著基體厚度的增加，在路徑同一位置，噴涂構(gòu)件最大殘余壓應(yīng)力呈現(xiàn)“減小-增大”的變化趨勢(shì)，在距離涂層中心 5.5mm處，基體厚度對(duì)涂層殘余應(yīng)力的影響規(guī)律發(fā)生了轉(zhuǎn)變，在5.5～9mm的路徑范圍內(nèi)，隨著基體厚度的增加，在路徑同一位置，最大殘余壓應(yīng)力增大，觀察圖4（b）～圖4（d）發(fā)現(xiàn)，隨著黏結(jié)層、過渡層或陶瓷層厚度的增加，界面的最大殘余壓應(yīng)力減?。辉诰嚯x涂層邊緣0.5mm處，存在較大的應(yīng)力突變，且伴隨著基體厚度的增加，應(yīng)力突變值減小，隨著黏結(jié)層厚度的增加，應(yīng)力突變值增大，改變過渡層或陶瓷層厚度對(duì)界面應(yīng)力突變情況影響不明顯；基體的厚度在一定范圍內(nèi)影響界面殘余應(yīng)力，當(dāng)基體厚度增加至12mm時(shí)，厚度的增加對(duì)路徑徑向殘余應(yīng)力的變化影響減小。

圖4 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下 Path1徑向殘余應(yīng)力的變化曲線 （a）不同基體厚度；（b）不同黏結(jié)層厚度；（c）不同過渡層厚度；（d）不同陶瓷層厚度Fig.4 Variation curves of Path 1 radial residual stress under different structural parameters （ a） different thicknesses of substrates；（b）different thicknesses of bonding layers；（c）different thicknesses of transition layers；（d）different thicknesses of ceramic layers

圖5 給出了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下Path2的軸向殘余應(yīng)力變化曲線，正值為拉應(yīng)力，負(fù)值為壓應(yīng)力。對(duì)比圖5（a）～圖5（d）發(fā)現(xiàn)，不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的噴涂構(gòu)件對(duì)應(yīng)所選路徑的軸向殘余應(yīng)力均呈現(xiàn)由殘余拉應(yīng)力向殘余壓應(yīng)力的轉(zhuǎn)變，且隨著基體厚度的增加，應(yīng)力形式的轉(zhuǎn)變點(diǎn)逐漸向基體與涂層界面的上方轉(zhuǎn)移；隨著黏結(jié)層、過渡層或陶瓷層厚度的增加，應(yīng)力形式的轉(zhuǎn)變點(diǎn)逐漸向基體與涂層界面的下方轉(zhuǎn)移；軸向殘余壓應(yīng)力為Path2的主要?dú)堄鄳?yīng)力形式，且隨著基體厚度的增加，軸向殘余壓應(yīng)力減小，黏結(jié)層、過渡層或陶瓷層厚度的變化對(duì)軸向殘余壓應(yīng)力的影響不明顯；隨著基體厚度的增加，路徑上的軸向殘余壓應(yīng)力對(duì)應(yīng)的突變點(diǎn)由基體與涂層界面下方向上轉(zhuǎn)移，說明了增加基體厚度易造成失效位置向基體與涂層界面上方轉(zhuǎn)移，隨著黏結(jié)層、過渡層或陶瓷層厚度的增加，路徑上的軸向殘余壓應(yīng)力對(duì)應(yīng)的突變點(diǎn)逐漸向基體與涂層界面下方轉(zhuǎn)移，說明了增加涂層厚度易造成涂層的失效位置向基體與涂層界面下方轉(zhuǎn)移。

圖6給出了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下Path1的剪殘余應(yīng)力變化曲線，正值為拉應(yīng)力，負(fù)值為壓應(yīng)力。對(duì)比圖6（a）～圖6（d）發(fā)現(xiàn)，基體與涂層界面的殘余應(yīng)力均為殘余拉應(yīng)力，在0～2.5mm的路徑范圍內(nèi)，改變基體厚度對(duì)路徑殘余應(yīng)力的影響較其他路徑范圍小，在2.5～10mm的路徑范圍內(nèi)，在路徑同一位置，隨著與路徑起始點(diǎn)距離的增加，路徑的最大殘余應(yīng)力增大，在涂層邊緣處達(dá)至殘余應(yīng)力最大值，當(dāng)基體厚度增加至12mm時(shí)，隨著基體厚度的增加，在路徑同一位置，殘余拉應(yīng)力增加幅度減??；在0～0.5mm的路徑范圍內(nèi)，改變黏結(jié)層、過渡層或陶瓷層厚度對(duì)路徑殘余應(yīng)力的影響較其他路徑范圍小，在0.5～10mm的路徑范圍內(nèi)，在路徑同一位置，隨著與路徑起始點(diǎn)距離的增加，路徑的最大殘余拉應(yīng)力增大，其中在4～9mm路徑范圍內(nèi)的，改變涂層厚度對(duì)基體與涂層界面剪殘余應(yīng)力影響最為明顯。

圖5 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下 Path2 的軸向殘余應(yīng)力變化曲線 （a）不同基體厚度；（b）不同黏結(jié)層厚度；（c）不同過渡層厚度；（d）不同陶瓷層厚度Fig.5 Variation curves of Path 2 axial residual stress under different structural parameters （a）different thicknesses of substrates；（b）different thicknesses of bonding layers；（c）different thicknesses of transition layers；（d）different thicknesses of ceramic layers

3 結(jié)論

（1）基體厚度的增加，噴涂構(gòu)件的最大徑向殘余拉應(yīng)力和最大徑向殘余壓應(yīng)力均呈下降趨勢(shì)；隨著黏結(jié)層、過渡層和陶瓷層厚度的增加，最大徑向殘余拉應(yīng)力增大，最大徑向殘余壓應(yīng)力減小。

（2）殘余壓應(yīng)力為軸向的主要?dú)堄鄳?yīng)力形式，隨著基體厚度的增加，噴涂構(gòu)件的最大軸向殘余壓應(yīng)力減小，隨著黏結(jié)層或過渡層厚度的增加，噴涂構(gòu)件的最大軸向殘余壓應(yīng)力呈上升趨勢(shì)，陶瓷層厚度的變化對(duì)噴涂構(gòu)件的最大軸向殘余壓應(yīng)力影響不明顯。

（3）改變黏結(jié)層厚度對(duì)基體與涂層界面殘余壓應(yīng)力的影響更為明顯。

（4）基體的厚度在一定范圍內(nèi)對(duì)基體與涂層界面徑向殘余應(yīng)力有影響，當(dāng)基體厚度增加至12mm時(shí)，隨著基體厚度的增加，殘余應(yīng)力的變化不明顯。

（5）隨著基體厚度的增加，應(yīng)力形式的轉(zhuǎn)變點(diǎn)與應(yīng)力突變點(diǎn)過渡到基體與涂層界面邊緣的上方區(qū)域，隨著黏結(jié)層、過渡層或陶瓷層厚度的增加，應(yīng)力形式的轉(zhuǎn)變點(diǎn)與應(yīng)力突變點(diǎn)逐漸過渡到基體與涂層界面中心下方區(qū)域。