涂层残余应力的形成机理

2023-06-18 理论教育版权反馈

【摘要】：残余应力是热喷涂过程中普遍存在的一种现象，与喷涂工艺、基体及粉末性能、样品形状和喷涂参数等因素密切相关。涂层残余应力产生的原因很多，主要原因可归纳为两大类。涂层残余应力影响因素较多，当基体温度以及工艺参数发生改变时都会引起残余应力的改变。一般来说，涂层厚度越大残余应力越大。

残余应力是热喷涂过程中普遍存在的一种现象，与喷涂工艺、基体及粉末性能、样品形状和喷涂参数等因素密切相关。涂层残余应力产生的原因很多，主要原因可归纳为两大类。

1.本征应力

在热喷涂过程中当熔融的喷涂颗粒高速运动撞向基体时，颗粒从熔融温度降低到基体温度或前一涂层温度时快速冷却，急剧收缩，造成材料的变形，涂层在凝固收缩或不平衡结晶等过程中产生残余应力；涂层材料的相变和状态变化的不均匀引起残余应力。这两种残余应力是热喷涂涂层沉积过程中所固有的，为涂层的本征应力。在等离子喷涂过程中人们常将此类残余应力称为“淬火应力”，而在HVOF喷涂过程中常表现为冲击应力。

2.热失配应力

喷涂材料和基体材料热物理系数的差异是造成涂层残余应力的另外一种因素。在沉积过程中喷涂材料与基体材料的线胀系数和弹性模量不同，在喷涂过程完成后涂层和基体冷却到室温时产生的一种热应力。基体材料与涂层材料之间的物理性能相差越大，则涂层中的残余应力也就越大。同时，在热喷涂涂层沉积过程中温度的改变、应力弛放过程（如塑性变形等）、化学成分的变化以及相结构的变化均可引起残余应力的变化。

涂层残余应力影响因素较多，当基体温度以及工艺参数发生改变时都会引起残余应力的改变。一般来说，涂层厚度越大残余应力越大。另外，不同热喷涂方法及涂层材料，会使涂层中产生不同的应力。当涂层材料为金属材料时，等离子喷涂后的残余应力高于氧-乙炔火焰喷涂；而当喷涂材料为陶瓷材料时，氧-乙炔火焰喷涂涂层的残余应力又高于等离子喷涂层。喷涂速度越高温度越低，产生的残余应力越小。

涂层残余应力的形成机理

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