数值模拟结果分析与讨论

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：观察图7可以发现，Path2 分布着压应力与拉应力两种残余应力形式，在0～0.3 mm 的路径范围内，残余应力形式为拉应力，在0.3～4.4 mm 的路径范围内，残余应力形式为压应力，残余压应力占据了更多的路径区间；在距离路径起始点0.22 mm 与0.44 mm 的位置，存在着与路径其他区域相比更大的残余应力突变，这些应力突

图3 所示为在不同时间间隔涂层径向残余应力云图，规定图中正值为拉应力，负值为压应力。从图3 可以观察到，涂层部分分布着较多的残余压应力，基体部分分布着较多的残余拉应力，相比而言，在黏结层分布着与涂层其他区域相比更大的残余压应力，在径向残余压应力的作用下，已在涂层内部产生平行于界面的层状裂纹，并产生涂层的翘曲缺陷，伴随着裂纹的扩展将导致涂层的剥落；在涂层与基体界面的边缘位置出现了应力集中现象，在边缘残余拉应力的作用下易导致涂层边缘产生垂直于界面的桥状裂纹缺陷，这种形式的裂纹缺陷将导致涂层的开裂，但不会造成涂层的剥离，相比于层状裂纹缺陷更为安全；伴随着喷涂间隔时间的增加，涂层中残余拉应力的分布区域逐渐增大，且涂层与基体结合面边缘位置的应力集中区域逐渐减小，这种涂层不同形式残余应力分布将导致涂层内部微裂纹的萌生；当喷涂作业的间隔时间由60 s 增加至3 600 s 时，喷涂构件的最大径向残余拉应力由54.6 MPa 减小至53.4 MPa，喷涂构件的最大径向残余压应力由65.7 MPa 增大至66.7 MPa，伴随着喷涂作业的间隔时间的增加，喷涂构件的最大径向残余拉应力呈现逐渐减小的变化趋势，喷涂构件的最大径向残余压应力呈现逐渐增大的变化趋势，但两种形式的残余应力变化幅度较小。

图3　不同时间间隔涂层径向残余应力云图（单位：Pa）

（a）t＝60 s；（b）t＝600 s；（c）t＝1 800 s；（d）t＝3 600 s

图4 所示为在不同时间间隔涂层轴向残余应力云图，规定图中正值为拉应力，负值为压应力。从图4 可以观察到，整个喷涂构件分布着更多的残余压应力，在涂层与基体结合面的边缘位置出现了应力集中现象，在基体与涂层界面边缘的上方出现了与其他区域相比更大的残余拉应力集中，在基体与涂层界面边缘的下方出现了与其他区域相比更大的残余压应力集中，在拉应力与压应力的综合作用下，易导致基体与涂层界面边缘处产生层状裂纹，一旦这些裂纹扩展，将造成涂层的剥离失效；当喷涂作业的间隔时间由60 s 增加至3 600 s 时，喷涂构件的最大轴向残余拉应力由19 MPa 增加至29 MPa，喷涂构件的最大轴向残余压应力由75 MPa 减小至59 MPa，伴随着喷涂作业的间隔时间的增加，喷涂构件的最大轴向残余拉应力呈现逐渐增大的变化趋势，喷涂构件的最大轴向残余压应力呈现逐渐减小的变化趋势。

图4　不同时间间隔涂层轴向残余应力云图（单位：Pa）

（a）t＝60 s；（b）t＝600 s；（c）t＝1 800 s；（d）t＝3 600 s

图5 所示为在不同时间间隔涂层剪残余应力云图，规定图中正值为拉应力，负值为压应力，从图5可以观察到，在黏结层与陶瓷层界面的边缘位置出现了与其他区域相比更大的残余压应力集中，在基体与黏结层界面边缘位置出现了与其他区域相比更大的残余拉应力集中，且残余拉应力的应力集中区域较残余压应力的应力集中区域大，说明剪残余拉应力将是导致涂层剥离的主要残余应力形式。当喷涂作业的间隔时间由60 s 增加至3 600 s 时：喷涂构件的最大剪残余拉应力由23.9 MPa 减小至22.3 MPa，伴随着喷涂作业的间隔时间的增加，喷涂构件的最大剪残余拉应力呈现逐渐减小的变化趋势，但减小幅度较小，喷涂构件的最大剪残余压应力变化不明显。

图5　不同时间间隔涂层剪残余应力云图（单位：Pa）

（a）t＝60 s；（b）t＝600 s

图5　不同时间间隔涂层剪残余应力云图（单位：Pa）（续）

（c）t＝1 800 s；（d）t＝3 600 s

图6　不同时间间隔Path1 径向残余应力分布

图6 所示为不同时间间隔Path1 径向残余应力分布图，规定图中的正值为拉应力，负值为压应力。其中图6（b）为图6（a）中9～10 mm 路径范围的局部放大图，观察图6（a）可以发现，Path1 分布着压应力与拉应力两种残余应力形式，且残余压应力占据了更多的路径区间，Path1 的最大残余压应力约为25 MPa，Path1 的最大残余拉应力约为5 MPa，说明残余压应力是Path1 的主要应力形式；伴随着与路径起始点距离的增加，残余压应力逐渐减小，残余拉应力逐渐增大；在残余压应力分布的路径区间内，在路径同一位置，伴随着喷涂作业时间间隔的增加，径向残余压应力逐渐增大，这一应力形式的增加，将导致涂层内部产生平行于基体与涂层界面的层状裂纹缺陷，残余压应力的不断增加，将增加这些层状裂纹的扩展概率，一旦裂纹扩展，形成层间贯穿裂纹，将导致涂层的剥离失效。观察图6（b）发现，当喷涂作业的间隔时间为60 s 时，对应的径向残余压应力的分布区间为9.3 mm，当喷涂作业的间隔时间为600 s时，对应的径向残余压应力的分布区间为9.6 mm；当喷涂作业的间隔时间为1 800 s 时，对应的径向残余压应力的分布区间为9.72 mm；当喷涂作业的间隔时间为3 600 s 时，对应的径向残余压应力的分布区间为9.75 mm。伴随着喷涂作业间隔时间的增加，基体与涂层界面的径向残余压应力的分布区间逐渐增加，从而增加了涂层内部层状裂纹的萌发区域，并加速了涂层的剥离；伴随着喷涂作业间隔时间的增加，应力形式的转变点逐渐向基体与涂层界面边缘转移，这种应力形式的转变点两侧分布着不同的残余应力形式，因此这些应力形式的转变点常对应着涂层缺陷的萌发起始位置，故说明伴随着喷涂作业间隔时间的增加，涂层缺陷的萌发位置逐渐向界面边缘转移。

图7 所示为不同时间间隔Path2 轴向残余应力分布图，规定图中的正值为拉应力，负值为压应力，其中图7（b）与图7（c）为图7（a）中圆圈标注出的应力突变点的局部放大图。观察图7（a）可以发现，Path2 分布着压应力与拉应力两种残余应力形式，在0～0.3 mm 的路径范围内，残余应力形式为拉应力，在0.3～4.4 mm 的路径范围内，残余应力形式为压应力，残余压应力占据了更多的路径区间；在距离路径起始点0.22 mm 与0.44 mm 的位置，存在着与路径其他区域相比更大的残余应力突变，这些应力突变点与应力形式的转变点是涂层缺陷萌生的大概率点，说明涂层剥离失效的起始位置并不是在相异涂层的结合面处，而是出现在界面下方的某一位置，由于残余压应力的应力突变值大于残余拉应力的应力突变值，故涂层极可能在距离路径起始点0.3 mm 应力形式的转变处和基体与黏结层界面下方0.04 mm的应力突变处出现裂纹缺陷。观察图7（b）和图7（c）并结合图7（a）发现，当喷涂作业间隔时间由60 s 增加至3 600 s 时，残余拉应力的突变值由14 MPa 增大至25 MPa，两者差值为11 MPa；残余压应力的突变值由75 MPa 减小至59 MPa，两者差值为16 MPa。说明增加喷涂作业的间隔时间会增加残余拉应力的突变值，减小残余压应力的突变值，喷涂构件厚度方向形成压应力这种单一的残余应力形式会大大减小涂层缺陷的萌生概率，一旦残余拉应力成为主要应力形式，或者残余拉应力与残余压应力二者均衡分布，将大大增加涂层剥离的概率。

图7　不同时间间隔Path2 轴向残余应力分布图

图7　不同时间间隔Path2 轴向残余应力分布图（续）

图8 所示为不同时间间隔Path1 剪残余应力分布图，规定图中的正值为拉应力，负值为压应力。观察图8 可以发现，Path1 分布着残余拉应力这一单一的残余应力形式，改变喷涂作业的时间间隔不会引起基体与涂层界面剪残余应力的分布形式与变化趋势。在0～7 mm 的路径范围内，基体与涂层界面的剪残余应力几乎为0，且喷涂作业的间隔时间对路径剪残余应力的影响不明显；在7～10 mm 的路径范围内，基体与涂层界面的剪残余应力变化幅度较其他路径范围大，且在路径同一位置，伴随着喷涂作业时间间隔的增加，剪残余压应力逐渐减小，说明增加喷涂作业的间隔时间会减小涂层在边缘剪残余应力作用下撕裂现象的产生。

图8　不同时间间隔Path1 剪残余应力分布图

数值模拟结果分析与讨论

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