基于XRD的涂層殘余應(yīng)力理論分析與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、利用XRD(X射線衍射法)測(cè)試了涂層-基體結(jié)合界面的應(yīng)力及其變化規(guī)律，建立了一種涂層結(jié)合界面應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行界面結(jié)合強(qiáng)度的檢測(cè)研究。通過(guò)涂層從基體脫粘前后的界面應(yīng)力變化量，結(jié)合涂層材料的物性參數(shù)和涂層-基體系統(tǒng)溫度場(chǎng)參數(shù)，用涂層殘余應(yīng)力來(lái)表征涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，建立一種研究檢測(cè)涂層結(jié)合強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)新方法。
　　 其理論創(chuàng)新表現(xiàn)在：應(yīng)用彎曲應(yīng)力理論，在傳熱學(xué)理論基礎(chǔ)上研究涂層.基體系統(tǒng)受熱后溫度場(chǎng)分布，根據(jù)彈性力學(xué)中薄板失穩(wěn)原理

2、，建立涂層準(zhǔn)靜態(tài)下失穩(wěn)平衡數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)出涂層結(jié)合界面正應(yīng)力、剪應(yīng)力和剝離應(yīng)力的分布公式，建立了XRD測(cè)量涂層結(jié)合強(qiáng)度的理論。技術(shù)創(chuàng)新表現(xiàn)在：建立涂層結(jié)合界面應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)，用殘余應(yīng)力來(lái)表征涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，創(chuàng)立一種研究檢測(cè)涂層結(jié)合強(qiáng)度理論的實(shí)驗(yàn)新方法。試驗(yàn)結(jié)果表明：
　　 (1)界面正應(yīng)力主要集中在界面中心區(qū)域內(nèi)，而在界面邊緣附近，正應(yīng)力迅速下降，在界面邊緣處其值降為0；剪應(yīng)力和剝離應(yīng)力主要集中在界面邊緣區(qū)域內(nèi)，在遠(yuǎn)離界面邊

3、緣區(qū)域，剪應(yīng)力和剝離應(yīng)力則迅速下降；涂層中正應(yīng)力和涂層厚度、基體厚度以及楊氏模量無(wú)關(guān)，界面間剪應(yīng)力以及剝離應(yīng)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(xué)沉積條件下制得的Ni-P薄膜的殘余應(yīng)力幾乎都為拉應(yīng)力，其殘余應(yīng)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(shí)，其殘余應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力，有利于提高薄膜-基體的結(jié)合強(qiáng)度；薄膜殘余應(yīng)力對(duì)薄膜脆性

4、脫落影響最為顯著，當(dāng)殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力時(shí)，易發(fā)生脆性脫落，而當(dāng)殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力時(shí)，會(huì)阻止脆性脫落。
　　 (3)TiN陶瓷刀具涂層殘余應(yīng)力為負(fù)值，即為壓應(yīng)力，有利于提高TiN涂層刀具的疲勞強(qiáng)度；應(yīng)力大小及分布對(duì)結(jié)合強(qiáng)度有明顯的影響，應(yīng)力越大，結(jié)合強(qiáng)度也就越??；其臨界載荷Lc=35～60N TiN涂層形成了硬度梯度，有利于提高涂層結(jié)合強(qiáng)度。
　　 (4)調(diào)整基體表面的殘余應(yīng)力可改善鍍鋅鈍化膜殘余應(yīng)力分布，有利于提高鍍鋅鈍化膜

5、結(jié)合強(qiáng)度；鍍鋅鈍化膜厚度方向的應(yīng)力為梯度分布，在2～10μm厚度方向?yàn)?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(jié)合界面強(qiáng)度與殘余應(yīng)力成反比，表現(xiàn)為殘余應(yīng)力值越大，其結(jié)合強(qiáng)度越小。
　　 (5)隨著沉積溫度升高，Al2O3薄膜中殘余應(yīng)力狀態(tài)由拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，且應(yīng)力值隨著沉積溫度升高而減??；Al2O3薄膜殘余應(yīng)力隨沉積速率的增加而減小，由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力；Al2O3薄膜殘余應(yīng)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(yīng)力狀態(tài)由拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，有利于提高涂層-基體的結(jié)合強(qiáng)度。
　　 (7)等離子噴涂ZrO2涂層表面殘余應(yīng)力均為拉應(yīng)力，其均值為179.2MPa，涂層殘余拉應(yīng)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(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力；隨著激光熱處理掃描速度和光斑直徑的增加而逐漸減??；熱應(yīng)力對(duì)涂層殘余應(yīng)力貢獻(xiàn)