非晶塗層中的殘餘應力及其對塗層性能的影響

《非晶塗層中的殘餘應力及其對塗層性能的影響》是依託華中科技大學，由柳林擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：非晶塗層中的殘餘應力及其對塗層性能的影響
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：柳林
• 依託單位：華中科技大學

中文摘要

塊體非晶合金是近年來發展起來的新型亞穩材料，但其本徵室溫脆性嚴重製約了它們的套用範圍。非晶塗層可以克服塊體非晶合金這一弊端，其優異的防腐耐磨性能在表面工程領域具有廣闊的套用前景。但殘餘應力是引起非晶塗層服役失效的主要原因，而針對非晶塗層中的殘餘應力及其對塗層性能的影響的研究仍十分欠缺。 本項目將以Fe基非晶塗層為對象，系統研究超音速熱噴塗（HVOF）工藝對殘餘應力，以及殘餘應力對塗層性能及失效行為的影響。主要內容包括：（1）非晶塗層中殘餘應力的測量及其影響因素；（2）殘餘應力對非晶塗層性能的影響；（3）在殘餘應力與外載入荷共同作用下非晶塗層的失效機制；（4）後處理對非晶塗層殘餘應力及塗層結構和性能的影響。通過以上研究，揭示非晶塗層中殘餘應力的形成機理，闡明殘餘應力對塗層性能的影響規律，這對實現通過殘餘應力的調控提高非晶塗層的服役性能，促進其在工業各領域的套用具有重要的科學意義和實際意義。

結題摘要

殘餘應力被認為是影響熱噴塗塗層性能與失效的關鍵因素。本項目以Fe基非晶塗層為研究對象，系統研究了非晶塗層中殘餘應力的測量與影響因素、殘餘應力對非晶塗層力學性能的影響、不同載荷模式下非晶塗層的失效行為、非晶基複合塗層的結構與性能調控、以及熱噴塗3D列印大尺寸Fe基非晶及複合材料，獲得了以下有意義的結果：（1）提出2種適合非晶塗層的殘餘應力測量方法，分別為曲率法與納米壓痕法。兩種試驗測量方法以及有限元模擬均表明在非晶塗層中產生了殘餘拉應力，主要由沉積粒子的熱應力引起。發現粉末粒徑與塗層厚度是影響殘餘應力的2大關鍵因素。殘餘拉應力越大，非晶塗層結合強度以及界面韌性越低。（2）在衝擊或疲勞載荷模式下，非晶塗層表現出脆性斷裂特徵。為此，提出4類複合結構調控方法，分別為i) 引入不同層數的晶態NiCrAl；ii）非晶粉末化學鍍改性；iii）高分子增強相原位碳化以及iv）引入陶瓷顆粒增強相Al2O3, 顯著改善了塗層/基體界面結合，提高了塗層衝擊韌性與疲勞性能，並對其增韌機理進行了深入探討。（3）通過熱噴塗高能3D列印成功製備出超大尺寸Fe基非晶合金與複合材料(超過現有最大尺寸Fe基非晶)，並發現這類非晶材料具有高強度（接近2000 MPa）以及較好的斷裂韌性（21 MPa m1/2, 是同成分吸鑄態非晶的4倍）。截止目前，相關研究成果已經在Acta Materialia、Electrochimica Acta等期刊上發表SCI收錄論文16篇，參加國際學術會議6次，申請發明專利4項，其中已授權2項，培養博士與碩士生6人。本項目研究對非晶塗層體系設計、性能調控以及服役套用有重要的指導意義與實用價值。