涂层温度对涂层残余应力的影响

1、涂层温度对涂层残余应力的影响5.1实验原理*曲卑法主嬰是依据涂足与果体之间的力和力矩屮術的眾理.在涂层快速冷却（或固比）的过秤中由于其自由收縮（威膨胀）受列了基体的阴碍，将会产住矢配应变Ae.闪此涂层与基体也将同时受到相71Z闾等值、反向的力F的作用.而对于涂层和起体的更合悴来说,就会受到弯矩M的作用，进而导致复合库的弯阳变形，如图5.1所示.图5.1穹曲法涂层应力检體碍基本原理?ig,5.IConceptuhIittMlelforthepredictionofresidualstresswithincoatingbybendineracthud下面将以狭K（b/L0.2TJt屮L和b分别为棊

2、体的怏和宽人单层涂层的复合on聲结构加以具体说明耳合体的曲率与失収应变的关系町以衷示成酋：E/AS4,EiH+6斥才+4/川卄?/武中EsfllEc分别表示基怵和涂层的杨氏探性模虽，肌H和h分别表示境合梁的宽度、基体和涂层的停度式（5D袤明在h/H的数值一定的情况下.曲率k与皋体厚度H成反比。因此，在实验中为了保证测議精度.应尽就使被测的复合梁具冇较大的曲率，这就要求基体不能过耳.另外，如果试样涂层中存在正交应力Ox和与之相对应的将会有两个正交的曲率&和扁。这种情况的出现有町能导致材料在变形过程中发生失稳，使得整个计算过程变得十分复杂.因此，在实际采用弯曲法测啟涂层残余应力时常常采用狭长形的试

3、样。当涂层较薄时（hH）,呈体的残余应力可以忽略，同时将由失配应变产生的应力视为涂层中的残余应力.即可以简化并整理为著名的Stoneys方程：(5.2)(53)(5.4)(5.5)kxE/H2当涂层较厚时涂层残余应力与曲率之间的关系可以农示成为:kxEH2ure-ar*6（l-）xAX1+0其中e=H/h人和耳分别表示涂层和基体的泊松比5.2实验方法基体试件采用经过淬火和中温回火的65Mn弹簧钢片。基体试件的规格尺寸为100mmxl5mmx0.7mmw为保证涂层与基体试片的结合效果，喷涂就对基体试件表面进行淸洗及喷砂处理.由于喷砂造成试件表面会产生斥应力，从而导致试件发牛弯曲变形.所以需要对基

4、体试片两个表面都进行喷砂处理，平衡应力状态，便试件半直。考虑到电弧喷涂时的巨大气流的推力会造成基体试件弯曲，设计了专门的试件夹具（见苗5.3）防止这种现象.采用电阻点焊方法将测温热电偶的端点点焊在待喷涂试片的背面，并通过试件夹具上的开几引出，连接到测温记录仪表上。为了使试件表面的热过程均匀-致，喷涂枪的移动路线和速度以及每道、每层涂层的喷涂间隔时何都严格控制.保证试件处于规定的温度范围内.试件冷却到室温后，通过测疑试件的弯曲曲率，分别计算出在不同温度条件下获得试件的残余应力值。曲率测量方法如下所示:图52曲率法测应力试件示恿图Fig52Diagramofcurvaturemeasuredstr

5、ess由率*的计算曲率的公式:(5.6)图53试件夹具示意图5.3实验结果的热膨胀系数不同温度下4013、65Mn的热膨胀系数如表5.152所示所示。表5.1不问温度下4Crl3的热彫胀系数Tab5IThermalexpansioncoefficientof4Crl3indifferenttemperature热膨胀系数/r10010.5X10-620011X1040012X106温度*c热膨胀系数/r10011.1X1020011.8X1040012.5X10衣52不同温度F65Mn的热膨胀系数Tab5.2Thermalexpansioncoefficientof65Mnindifferen

6、ttemperature的应力情况涂层材料4Crl3的弹性模呈：Ec=53.lGPa,基体材料65Mn的弹性模鼠：E厂204GP*4Crl3涂层的基本数据如表53：温度(p)L(mm)b(ntn)&(mm)18085.691.36L1321084.961.370.5024087.001.500.3325085.671.380.3327087.001.490.3330084.911.400.2033085.841.650.4236083.471.561.7939084.281.942.02衣534Crl3试件测鲨数据Tab5.3Testdataof4Crl3specimen计算结果如表5.4：表

7、5.4应力计算结果Tab5彳Stresscalculations温度（X?）涂层厚度（mm）应力(MPa)1800.67-31.28210067-21.052400.79-16.332500.98-13.36270L2420.633000.8515.183300.7214.523600.8635.493900.4930.21涂层的残余应力与涂层的厚度成正比，将衣5.4中的应力值进行处理可以得到庁度为068mm时的喷涂应力，数值如农55：表5.5应力整理结果Tab5.5Coordinationofthestress温度（X?）应力（MPC180-32.37210-21.36240-14.6625

8、072727011.3230012.0133013.723602&1939042.18由表5.5中的数据作图如图5.4：图5.4温度对4Crl3涂层残余应力的妙响Fig5.4Effectsoftemperatureon4Crl3coatingresidualstress如图所示在260X?左右进行喷涂时涂层中几乎不存在残余应力或者涂层中存在很小的残余应力。4Crl3涂层转变的临界点约为260*C,高于此温度，获得拉应力涂层：低于此温度喷涂，涂层处于压应力状态.5.3.365Mn的应力情况.涂层材料65Mn的弹性模虽：民-105.)3GPa基体材料65Mn的弹性模量：E.=204GPa65Mn涂

9、层的基本数据如表5.6：农5.665Mn试件测H数据Tab5.6Testdataof65Mnspecimen温度CC)L(nun)b(m)6(mm)15084171.270.8318081.181.030.7221085.691.120.4224082.071.130.2727090.121.241.2030085.731.281.5633083.651.341.30计算结果如表5.7：表5.7应力计算结果Tab5.7StresscalculationsMt涂足疗度(mm)应力(Mp)1500.53-10.301800.77-7.242100.62-4442400.632.712700.797

10、.693000.8410.943300.949.47涂层的残余应力与涂层的厚度成正比，将表5.7中的应力值进行处理可以得到厚度为0.63mm时的喷涂应力.数值如表58：农5.8应力整理结果Tab5.8Coordinationofthestress温度CC)应力(MP&)150-12.32180-5.94210-4.512402.752706153007.573309.47由表5.8可得下图(6图55温度对65Mn涂肚残余应力的影响Fig5.5Effectsoftemperatureon65Mncoatingresidualstress如图所示在23(rc左右进行喷涂时涂层中儿乎不存在残余应力或

11、者涂层中存在很小的残余应九65Mn涂层转变的临界点约为230C,高于此温度，获得拉应力涂层:低于此温度喷涂，涂层处于压应力状态。5.4分析根搏两种喷涂材料的涂层应力情况可以看出，对于有相变产生的涂层，在不同温度卜进行喷涂时涂层残余应力会出现拉压应力转变现彖，从而导致涂层中出现零应力，这与第四阜理论分析情况相一致。喷涂时使得涂层与基体保持在不同的温度进行喷徐，马氏体转变駅也会发生变化，随若温度的升高，涂层中马氏体的含虽会有所减少。这是马氏体转变特性决定的.当过冷奥氏体以大于临界淬火速度过冷到Ms时，立即幵始向旦氏体的转变.随着温度的下降，马氏体的虽增多。当温度下降到“耐，奥氏体向马氏体的转变结束

12、。Ms与M啲位置主要取决于奥氏体的成分.奥氏体的碳的质虽分数越高，Ms与M僞低，喷涂过程中碳冇一定程度烧损，所以材料的Ms点在200匸3009之间.在低温进行啖涂，涂层快速冷却到Ms点产生马氏体组织，喷涂温度高时，涂层快速冷却到Ms点以上某一温度，这时不会发生马氏体转变。那么喷涂过程相当于在点Ms以上某一温度进行等温.在这段时间内会出现贝氏体组织转变.随后继续冷却产生马氏体组织，由于贝氏体组织的产牛使得涂层中马氏体含锻的减少，从而导致涂层体枳膨胀减少，应力的状态发牛变化。使基体与涂层保持在临界转变温度进行喷涂时，相变产生的速度与喷涂后冷却的速度相互平衡，使得相变应力与热应力相互抵消，出现寺应力或超低应力的现象。5.5本章小结对于4Crl3马氏体不锈钢来说260C是临界点，髙于260,涂层的热收缩占主导；低于此温度，马氏体相变引