等离子喷涂羟基磷灰石涂层内应力演变规律的研究

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1、中文图书分类号：TG4174.4密级：公开UDC：31学校代码：10005硕士学位论文MASTERALDISSERTATION论文题目：等离子喷涂羟基磷灰石涂层内应力演变规律的研究论文作者：陈伟学科：材料科学与工程指导教师：李辉副教授论文提交日期：2017年04月UDC:31学校代码：10005中文图书分类号:TG174.4学号：S201409013密级：公开北京工业大学工学硕士学位论文等离子喷涂羟基磷灰石涂层题目：内应力演变规律的研究STUDYONSTRESSEVOLVEMENTOF英文题目：PLASMA-SPRAYEDHYDROXYAPATIT

2、ECOATINGS论文作者：陈伟学科：材料科学与工程研究方向：等离子喷涂申请学位：工学硕士指导老师：李辉副教授所在单位：材料科学与工程学院答辩日期：2017年5月授予学位单位：北京工业大学独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：陈伟日期：2017年6月12日关于论文

3、使用授权的说明本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。（保密的论文在解密后应遵守此规定）签名：陈伟日期：2017年6月12日导师签名：李辉日期：2017年6月12日摘要摘要由于涂层与基体的材料热物性存在一定的差异而且喷涂过程中涂层材料会经历一系列的快速加热和冷却过程，导致了HA涂层与TC4基体界面处及涂层内部存在内应力，从而会影响涂层性能及涂层服役寿命。为了明晰HA涂层在喷涂加工过程中，内应力的演变规律，

4、本课题使用数值模拟对涂层形成过程中的温度场和应力场进行模拟，同时利用自制的曲率法实验平台对模拟结果进行校核，利用优化后的模拟模型对界面处最大内应力的影响因数进行研究，最后探究了不同内应力条件与涂层结构变化之间的耦合关系。首先对喷涂过程中的温度场进行模拟及校核。自制的热流密度计能够准确测量不同工艺参数下的热流输入，热流的散失主要通过与空气的对流以及辐射，经2与实验结果比对后确定热对流系数λ为6W/mK，热辐射系数R为0.8W/(mK)，在相同喷涂参数下，最后得到的温度场模拟结果与曲率实验平台测量结果一致。在温度场模拟结果基础上，对应力场模拟进行了研究

5、。通过加入涂层组织结构对内应力的影响，对涂层残余应力值与实验值进行比较，应力场模拟结果与实际涂层中内应力场比较一致。对界面处最大内应力以及残余应力研究结果表明，喷涂功率越小、距离大、基体温度越大界面处的最大内应力越小，残余应力也越小；单道涂层越薄界面处最大内应力越小，而涂层厚度的增加，界面处最大内应力先减小随后平稳甚至增加。选取对涂层内应力影响较大的单道涂层厚度作为变量，发现实际工件中表面残余应力预测值与X射线检测值基本一致，单道涂层厚度越大残余应力越大。利用扩展有限元法（XFEM）研究了内应力对涂层裂纹扩展的影响，结果表明，发现如果涂层中存在压应

6、力，裂纹扩展主要以横向裂纹为主，如果涂层中存在拉应力，涂层中的大裂纹扩展主要以纵向裂纹为主，这与实验中改变基体温度分布为300℃和500℃时涂层裂纹扩展结果一致。涂层中存在的残余应力越大，裂纹扩展就越明显。涂层中裂纹密度越大，涂层残余应力值越小，裂纹扩展一定程度能够释放涂层中的残余应力。关键词：热喷涂；羟基磷灰石；数值模拟；内应力；裂纹扩展；微观组织-I-AbstractAbstractThecoatingandsubstratematerialshavesomedifferencesinthermo-physicalpropertiesandth

7、eyundergoaseriesofrapidheatingandcoolingprocess,sotheinterfacialstressofthecoating/substrateandinternalstressareverylargeandtheyinfluencethecoatingpropertiesandcoatingservicelifefinally.Inordertoclarifytherelationshipbetweenthestressandcoatingstructureinthesprayingprocess,this

8、paperwasdevotedtothetemperatureandstressfieldinthesprayingpro