基于XRD的涂層殘余應力理論分析與實驗研究.pdf

1、利用XRD(X射線衍射法)測試了涂層-基體結合界面的應力及其變化規(guī)律，建立了一種涂層結合界面應力檢測系統(tǒng)，進行界面結合強度的檢測研究。通過涂層從基體脫粘前后的界面應力變化量，結合涂層材料的物性參數(shù)和涂層-基體系統(tǒng)溫度場參數(shù)，用涂層殘余應力來表征涂層與基體的結合強度，建立一種研究檢測涂層結合強度的實驗新方法。
　　 其理論創(chuàng)新表現(xiàn)在：應用彎曲應力理論，在傳熱學理論基礎上研究涂層.基體系統(tǒng)受熱后溫度場分布，根據(jù)彈性力學中薄板失穩(wěn)原理

2、，建立涂層準靜態(tài)下失穩(wěn)平衡數(shù)學模型，推導出涂層結合界面正應力、剪應力和剝離應力的分布公式，建立了XRD測量涂層結合強度的理論。技術創(chuàng)新表現(xiàn)在：建立涂層結合界面應力檢測系統(tǒng)，用殘余應力來表征涂層與基體的結合強度，創(chuàng)立一種研究檢測涂層結合強度理論的實驗新方法。試驗結果表明：
　　 (1)界面正應力主要集中在界面中心區(qū)域內，而在界面邊緣附近，正應力迅速下降，在界面邊緣處其值降為0；剪應力和剝離應力主要集中在界面邊緣區(qū)域內，在遠離界面邊

3、緣區(qū)域，剪應力和剝離應力則迅速下降；涂層中正應力和涂層厚度、基體厚度以及楊氏模量無關，界面間剪應力以及剝離應力隨涂層厚度增加而增加，并且由涂層與基體厚度以及楊氏模量所共同決定。
　　 (2)化學沉積條件下制得的Ni-P薄膜的殘余應力幾乎都為拉應力，其殘余應力隨著薄膜厚度的增加而不斷增加，隨著激光熱處理功率增加，先降低再升高。在激光功率為400W左右時，其殘余應力表現(xiàn)為壓應力，有利于提高薄膜-基體的結合強度；薄膜殘余應力對薄膜脆性

4、脫落影響最為顯著，當殘余應力為拉應力時，易發(fā)生脆性脫落，而當殘余應力為壓應力時，會阻止脆性脫落。
　　 (3)TiN陶瓷刀具涂層殘余應力為負值，即為壓應力，有利于提高TiN涂層刀具的疲勞強度；應力大小及分布對結合強度有明顯的影響，應力越大，結合強度也就越?。黄渑R界載荷Lc=35～60N TiN涂層形成了硬度梯度，有利于提高涂層結合強度。
　　 (4)調整基體表面的殘余應力可改善鍍鋅鈍化膜殘余應力分布，有利于提高鍍鋅鈍化膜

5、結合強度；鍍鋅鈍化膜厚度方向的應力為梯度分布，在2～10μm厚度方向為-274.5～-428.3MPa，隨著鍍鋅鈍化膜厚度的增加而不斷增大；鍍鋅鈍化膜與基體的結合界面強度與殘余應力成反比，表現(xiàn)為殘余應力值越大，其結合強度越小。
　　 (5)隨著沉積溫度升高，Al2O3薄膜中殘余應力狀態(tài)由拉應力變?yōu)閴簯Γ覒χ惦S著沉積溫度升高而減??；Al2O3薄膜殘余應力隨沉積速率的增加而減小，由拉應力轉變?yōu)閴簯?；Al2O3薄膜殘余應力隨著

6、晶化處理溫度的增加先降低再升高，且隨著薄膜厚度的增加而不斷增大。
　　 (6)激光熔覆處理后的Al2O3涂層表面殘余應力狀態(tài)由拉應力變?yōu)閴簯?，有利于提高涂?基體的結合強度。
　　 (7)等離子噴涂ZrO2涂層表面殘余應力均為拉應力，其均值為179.2MPa，涂層殘余拉應力與激光沖擊次數(shù)成正比，經(jīng)激光表面處理后的ZrO2涂層殘余應力表現(xiàn)為壓應力；隨著激光熱處理掃描速度和光斑直徑的增加而逐漸減小；熱應力對涂層殘余應力貢獻