38CrMoAl與多種涂層材料的結合性能分析

鄢 強， 鄧祥豐， 宋慧瑾， 吳明春， 何 玲(成都大學 機械工程學院， 四川 成都 610106)

0 引 言

目前，硬質涂層技術已被廣泛應用于生產制造高性能的零部件當中，但如果鍍層較薄將導致零部件在使用過程中涂層易發生脫落而失效[1-2].所以，有效提高硬質涂層的表面結合力一直是表面工程行業重要研究課題之一.例如，劉陽等[3]通過建立計算模型，利用有限元法進行仿真模擬，對裂紋尖端附近應力場進行分析處理；Upadhyayula等[4]分析了基材與涂層之間接觸面上的應力集中問題，并利用仿真數值模擬的方法對多元涂層進行分析計算.在此基礎上，本研究利用ANSYS workbench軟件分析了38CrMoAl基材上不同涂層材料在不同載荷作用下的殘余應力變化情況，擬為提高涂層零件的物理機械性能改善與結構優化設計提供一定的參考依據.

1 有限元模型

1.1 實體模型

通常，涂層厚度一般只有幾微米[5]，相對于基體尺寸而言很薄，所以本研究只考慮涂層和界面附近基體的應力分布.實際上，涂層結合產生的殘余應力主要分布在接觸界面附近.本研究的實體模型如圖1所示.基體的尺寸為0.2 mm×0.1 mm×0.05 mm，表面涂層厚度為1 μm，打底層厚度為100 nm.采用熱—結構耦合單元，邊界條件為：中心軸上所有節點施加關于YZ坐標平面的軸對稱約束；基體底面上所有節點施加X方向的位移自由度約束；在模型上標記一個圓形印記，來作為載荷的施加點.

圖1 實體模型示意圖

1.2 基體及涂層材料性能

本研究的基體材料為38CrMoAl，其彈性模量(E)為2×105MPa，泊松比(v)為0.3.以Ti(200 nm)作為打底層，表面涂層材料分別為TiN(1 μm)、TiC(1 μm)、SiC(1 μm)、DLC(1 μm)，根據離子鍍技術各層的具體工藝，從而得出其基本參數如表1所示[6-7].

表1 涂層材料參數

1.3 模型熱力方程建立

目前，利用有限元法對耦合矩陣方程進行求解主要有兩種方法.下面以有兩個自由度的矢量({x1},{x2})進行說明.

1)強耦合(也包括矩陣耦合、同步耦合或全耦合)矩陣方程的形式表達為，

(1)

式(1)中的非對角矩陣[K12]和[K21]用來描述耦合效應的影響，這個方法在迭代進行一次之后，提供一個耦合響應(式(1)可從ANSYS軟件中自帶的help文件中查閱到的).

2)弱耦合(也就是負載向量耦合或順序耦合)矩陣方程中的耦合在最一般的形式中表達為，

(2)

式(2)中耦合效應在[K11]和{F1}對{X2}的依賴以及{X1}上的[K22]和{F2}的依賴性中得到了解釋.至少需要兩個迭代來實現一個耦合響應.

在求解熱—結構耦合分析問題時，強耦合對應的矩陣方程為，

(3)

弱耦合對應的矩陣方程為，

(4)

式(3)和式(4)中，

(5)

式中，[M]為結構質量矩陣；[C]為結構阻尼矩陣；[Ct]為比熱矩陣；[Ctu]為熱彈性阻尼矩陣；[K]為系數矩陣；[Kt]為導熱系數矩陣；[Ktb]為材料導熱系數矩陣；[Ktc]為對流表面導熱系數矩陣;[Fnd]為應用節點力向量；[Fpr]為壓力載荷矢量；[Fac]為加速度效應的力矢量；[Qnd]為應用節點熱流量矢量；[Qg]為熱生成速率矢量；[Qc]為對流表面向量[8].

1.4 網格劃分與邊界條件設定

1.4.1 網絡劃分.

模型的有限元網絡劃分如圖2所示.其中，基體與涂層采用相對密度網格劃分，由于基體與涂層受到溫度與壓力的影響，其內部會產生比較劇烈的應變，所以基體采用較大的網格密度，而涂層部位使用較疏的網格，在保證仿真精度的同時還可以節約計算時間，模型的節點數為60 344個，網格數為18 368個.在分析過程中，為防止仿真過程中單元畸變造成計算停止，采用自適網格重劃技術使基體與涂層上的網格根據應變梯度、應變率梯度和溫度梯度的分布情況自動重劃和加密網格.

1.4.2 邊界條件設定.

在邊界條件設定時，為較好觀察材料的殘余應力變化狀態，確保模擬的準確性，在材料表面施加溫度載荷和應力載荷，以研究熱膨脹和熱收縮對材料應力的影響以及外部應力對材料殘余應力的影響[9].假設條件為，材料初始溫度從500 ℃下降到室溫25 ℃，且由無應力狀態到1 MPa壓力的作用荷載下進行.

圖2 模型的有限元網格劃分

2 結果分析與討論

在沒有涂層保護的條件下，直接對基體進行熱力耦合分析，得到在殘余應力在基體上的分布情況，結果如圖3所示.

圖3 基體38CrMoAl的殘余應力分布

由圖3可知，最大應力基本覆蓋住整個基體，隨著溫度與應力的逐漸擴散，基體內部的應力也由內而外增加，但應力的分布較為均勻，最大應力基本占據絕大部分.

2.1 基體與涂層的殘余應力分布與影響

38CrMoAl基體分別與SiC、TiC、TiN、DLC涂層材料在熱力耦合作用下的殘余應力分布具體如圖4所示.

圖4 基體與不同涂層材料結合下的殘余應力分布圖

從圖4(a)(b)(c)中可見，基體內的殘余應力分布較為均勻，在涂層表面應力呈現點狀分布，應力主要集中在界面靠近基體與涂層結合處.如涂層內的應力過大且過于集中，對提高材料的硬度和延長材料的疲勞壽命會造成影響.如應力只位于基體與涂層的結合處一側，由于所分布的區域較薄且不均勻，該拉應力容易產生垂直于涂層界面的龜裂裂紋，導致涂層的撕裂或脫層，這也是導致涂層整體斷裂或脫落的主要原因.相比于其他3種涂層，由于DLC材料的導熱性較好，故能更好地將殘余應力導向基體中，因此殘留在涂層表面上的應力較小.

2.2 擴散距離與殘余應力的關系

不同涂層與基體結合時，涂層整體、涂層界面和涂層表面處的最大切應力變化曲線具體如圖5所示.

由圖5可知，圖5(a)的最大切應力主要在圖5(c)涂層界面和圖5(a)涂層表面產生，若涂層較薄時，涂層的切應力在涂層四周邊界處產生.從圖5(a)可看出，隨著應力擴散距離的增加，涂層最大切應力的變化規律是先增加后降低再增加.當應力擴散距離較短時，涂層的最大切應力主要由涂層整體和涂層界面的最大拉應力決定(見圖5(b)和圖5(c))，且涂層整體的最大切應力呈現先減小后增大的特點，而涂層界面的最大切應力則是先急速減小然后保持平緩；當應力擴散距離較長時，涂層的最大拉應力主要由涂層表面的最大拉應力決定(見圖5(a))，且涂層表面的最大拉應力與應力擴散的距離呈現非線性的關系，并出現2個較大的峰值，應力變化非常明顯.相關研究也表明，涂層的最大拉應力隨應力擴散距離的增加由涂層表面轉移到涂層界面，這是由于涂層與基體的熱膨脹系數存在較大的差異，涂層表面存在對流換熱，造成兩者的形變量有很大差異.當應力擴散距離較小時，涂層表面與界面的形變量差異較小；當應力擴散距離較大時，涂層表面與界面的形變量差異較大[10].從圖5a可以看出，隨著應力擴散距離的增加，涂層的最大切應力先急速減少然后保持穩定，其最大切應力主要由涂層界面決定，這也是導致涂層與基體之間最容易出現涂層剝落的主要原因.

圖5 不同距離的最大切應力變化曲線圖

3 結 論

本研究通過分析38CrMoAl基材上不同涂層材料在不同載荷作用下的殘余應力變化情況，得出以下結論：

1)38CrMoAl材料受到外界的熱力作用時，基體內部會產生較大的殘余應力，根據不同涂層的性能，適當地添加表面涂層，能夠改善材料內部的殘余熱應力分布情況，對提高界面及表面的結合強度，防止裂紋的出現有著重要作用.

2)當TiN、TiC、SiC涂層與38CrMoAl基體結合時，殘余應力主要集中在涂層與基體的接觸界面，在涂層表面與基體內部的分布較為均勻，而DLC涂層由于具有較好的導熱性，能夠快速地將殘余應力導向基體中.

3)殘余應力與擴散距離在涂層表面處呈現非線性的變化，而在涂層界面和涂層整體處則是隨著應力擴散距離的增加，先急速下降再到基本保持不變的狀態.