基于計算模擬分析厚耐磨性復(fù)合涂層

1、基于計算模擬分析厚耐磨性復(fù)合涂層摘要：一個計算機模型和仿真方法被開發(fā)，并應(yīng)用到耐磨性復(fù)合涂層分析中。三個新的數(shù)值有限元模型被開發(fā)出來，包括典型的厚熱噴涂和激光熔覆金屬基體涂層的微觀形貌。第一個是理想合成無缺陷的材料模型，第二個是先進(jìn)的含缺陷的合成模型和第三個是基于圖像的真實模型。一種熱噴涂WC-CoCr涂層和激光熔覆WC-NiCrBSi合金涂層為特征對象，獲得其微觀結(jié)構(gòu)，用于計算應(yīng)力和應(yīng)變模擬。該模擬進(jìn)行了一組接觸條件下的壓痕和劃痕試驗。磨損特征在干燥條件下進(jìn)行了橡膠砂輪測試和滑動接觸針-磁盤測試的驗證empirically實證分析。局部高曲率、缺口、異常大的顆粒、薄韌帶或喉嚨般結(jié)構(gòu)的特殊材料

2、相、相通的碳化物集群或一個特定材料相的局部高分?jǐn)?shù)等特征對所產(chǎn)生的應(yīng)力狀態(tài)和涂層的耐磨性有很大的影響。相對于參考鋼表面，該涂層的復(fù)合結(jié)構(gòu)將磨料磨損率降低了2-50倍，滑動磨損率降低了四個以上的數(shù)量級。關(guān)鍵詞：模型化 磨損 復(fù)合物涂層1、引言磨損發(fā)生在產(chǎn)品、零部件和工具的頂面。根據(jù)耐磨性的要求，因此特別注重表面性質(zhì)。先進(jìn)表面工程提供了許多可能性去修改材料的表面性質(zhì)，使其更耐磨，例如通過表面處理、薄膜沉積或稠密的表面涂層處理【1】。薄涂層在許多的摩擦學(xué)應(yīng)用中表現(xiàn)優(yōu)異，如今被廣泛使用,如物理氣相沉積（PVD）和化學(xué)氣相沉積（CVD）涂層。然而，它們?nèi)菀鬃兊么嗳?，尤其是在惡劣、高?fù)載和高溫條件下，這歸因

3、于源自其微小厚度的材料和結(jié)構(gòu)的限制，其厚度通常在1-3m的范圍內(nèi)，甚至更小。使用厚的復(fù)合材料涂層是制定復(fù)合材料表面特性的另一種解決方法。厚涂層的典型處理方法是熱噴涂粉末熔覆，無論是作為焊接覆蓋還是激光熔凝層。這些方法為產(chǎn)生獨特的復(fù)合結(jié)構(gòu)提供了一個靈活的路線，而厚涂層的典型厚度范圍在150m-3mm，根據(jù)其它標(biāo)準(zhǔn)來選擇基材，如合金價格、合金元素及其它添加劑的含量、機械強度、低重量【2-4】。在過去的幾十年里，適用于厚涂層的無數(shù)混合涂層材料已經(jīng)被開發(fā)出來，該混合涂層材料主要含有混合物、陶瓷復(fù)合材料、金屬和聚合物。然而，在21世紀(jì)初已可能開發(fā)高性能材料，隨著新制造方法的發(fā)展，廣泛采用納米技術(shù)并通過新

4、的診斷方法和更高的建模能力對材料進(jìn)行更深入的認(rèn)知【5-8】。顆粒增強復(fù)合材料由金屬基體和分散的硬質(zhì)顆粒組成，它為提高耐磨性要求提供了一個潛在的解決方案。磨損性能的改善往往被其它性能的惡化所抵消，如耐沖擊性、耐腐蝕性。對于具體材料應(yīng)用性能的制定和優(yōu)化很重要，需要把所有的需求考慮在內(nèi)【8-10】。由材料表面載荷引起的變形的計算機建模和仿真以及在接觸負(fù)載下的應(yīng)力應(yīng)變的計算是一個今天正在迅速發(fā)展的研究方法。接觸摩擦的建模和仿真有助于理解導(dǎo)致塑性變形、表面開裂、磨損顆粒形成和持續(xù)磨損的機理。數(shù)值模擬可以在各種尺寸規(guī)模的層面上進(jìn)行，從納米到宏觀尺寸，利用軟件表示從原子甚至亞原子到連續(xù)宏觀和組成級的材料結(jié)構(gòu)

5、【11-14】。材料的建模和仿真的方法已被用于接觸力學(xué)【15】和結(jié)構(gòu)的斷裂力學(xué)【16】?；谟邢拊南嗤椒ㄒ殉晒Φ乇粦?yīng)用于提高對帶有薄表面涂層的滑動接觸磨損過程的認(rèn)知【1,17-24】。涂層和基體系統(tǒng)的彈性和塑性響應(yīng)的精確測量和接觸幾何測量使其可能模擬應(yīng)力應(yīng)變條件下的變形，計算斷裂行為，評估薄涂層的磨損性能，均勻性和涂層表面性能以及影響材料和操作參數(shù)的效果。如PDV和CVD淀積涂層，薄的硬質(zhì)涂層可以被建模為一個表面層系統(tǒng)，該系統(tǒng)中涂層與基體材料都被認(rèn)為是均勻的，涂層與基體之間的相互作用以及幾何特征是磨損行為的重要因素【1,19】。如熱噴涂和激光熔覆涂層，厚的復(fù)合涂層需要以其復(fù)雜的復(fù)合材料微觀

6、結(jié)構(gòu)為依據(jù)建立模型，其微觀結(jié)構(gòu)包括顆粒、氣孔、裂紋和基體中各種相，模型的建立是為了達(dá)到表示同實際情況關(guān)聯(lián)的應(yīng)力和應(yīng)變模擬。復(fù)合材料的表面結(jié)構(gòu)，如鑄鐵，WC-Ni合金，金屬基復(fù)合材料和PVD納米復(fù)合材料已被建立模型，主要是運用二維（2D）有限元法（FEM）和模式分析【25-29】。微觀結(jié)構(gòu)模型更精確地表述材料微觀結(jié)構(gòu)，它們已經(jīng)在三維（3D）有限元建模的基礎(chǔ)上被開發(fā)出來，例如多晶、SiC-Al合金和Ti6Al4V合金表面的微觀結(jié)構(gòu)【30-34】。微觀模型為表示真實的材料而開發(fā)，它由基于圖像橫截面分析的數(shù)字技術(shù)而生成，圖像通過掃描電子顯微鏡（SEM）和光學(xué)顯微鏡（LOM）而獲得【35,36,13】。

7、三維微結(jié)構(gòu)的表示可以用類似的方式產(chǎn)生，但需要采取表面之下的幾層顯微鏡圖像。維德克爾等人【37】獲得表面下方15個并行LOM圖像，這些圖像通過研磨露出，其平均間距離為4m，并且他們將基于有限元的圖像變形方法用于制造帶有氣孔和裂紋的熱噴涂表面的三維微觀結(jié)構(gòu)材料模型。磨損過程的建模需要其它種類的建模技術(shù)，諸如Österle等人使用的可移動點格自動控制法（MCA）【38】，該磨損過程中材料從兩個動態(tài)滑動摩檫移動的表面之間分離，其表面相互接觸相互作用。另外有限元法可以通過考慮裂解機制而被應(yīng)用，如哈末托比等人應(yīng)用于厚涂層的研究工作【39】；或者通過考慮材料的磨損而被應(yīng)用，如因安瓦爾等人的研究工作

8、【40】。離散方法對整體材料破壞和拆除過程的建模提供了幾個優(yōu)勢，這已被Seleson等人用近場動力學(xué)的方法證明【41】。二維和三維微觀結(jié)構(gòu)的建模與仿真方法已經(jīng)在帶有氣孔和裂紋的氧化鋁、FeCrBSi金屬和TiC/Cu鍍層的機械性能特征仿真中被展示【37,42,43】。根據(jù)實際經(jīng)驗，可以知道尺寸、形狀以及孔隙和裂縫的空間排列與取向?qū)釃娡客繉拥牟牧咸匦杂泻艽蟮挠绊憽?,4】。由于孔隙可以增加材料的靈活性并阻止裂紋生長，所以孔隙率并不總是有害的。為了得到良好的摩擦表面特性，復(fù)合涂層的其它微觀結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)需要優(yōu)化，這些參數(shù)除了孔隙的相關(guān)參數(shù)外，還有大小、形狀、密度和增強顆粒的間距以及界面粘結(jié)強度和

9、粘結(jié)劑的力學(xué)性能【27,29,33】。包括明確結(jié)構(gòu)的厚復(fù)合涂層反應(yīng)和特性的建模是落在介觀范圍內(nèi)的分析方法。在目前情況下，最嚴(yán)格的附加要求設(shè)置在建模方法中，其需要處理涂層顯微結(jié)構(gòu)強弱的不連續(xù)性，這可以結(jié)合制定合適的有限元和擴展有限元的方法來實現(xiàn)。帶有合適網(wǎng)格劃分功能的有限元分析方法可以用于微觀結(jié)構(gòu)的建模，但強烈的不連續(xù)性和微觀結(jié)構(gòu)中的演變通常需要更精細(xì)的分析方法，如擴展的有限元法。本文旨在介紹如何建立一種以計算復(fù)合厚涂層耐磨性為目的的有限元模型。所開發(fā)的模型用于熱噴涂WC-CoCr和激光熔覆WC-NiCrBSi涂層的應(yīng)力和應(yīng)變模擬。耐磨性分析是以微觀層面的有限元建模為基礎(chǔ)，同時進(jìn)行壓痕試驗、劃痕

10、試驗、橡膠輪磨損試驗和針-磁盤摩擦測試來驗證該模型。2、 研究方法在此計算機建模和模擬研究中，我們在奧爾森之后使用被稱為PSPP（處理 - 結(jié)構(gòu) - 性能 - 性能）的方法【11】，其插圖說明如圖1。以下三個環(huán)節(jié)需要建立模型，以實現(xiàn)表面耐磨性能的整體模型：（1） 磨損過程與材料表面特性之間的相互作用； （2）材料的性能與顯微組織之間的相互作用； （3）微觀結(jié)構(gòu)和表面制造工藝之間的相互作用。用現(xiàn)有的知識去建立一個覆蓋整個PSPP范圍的計算模型往往是過于復(fù)雜。因此，本文所述方法更充分地利用了一步步建模的策略。本文先前已經(jīng)敘述了如何通過有限元模型將材料的特性與薄而均勻的PVD和CVD涂層復(fù)合材料的接

11、觸摩擦磨損行為特性聯(lián)系起來。然而，熱噴涂和激光熔覆的復(fù)合涂層并不均勻，所以在材料模型中有必要包括微觀結(jié)構(gòu)，于是覆蓋SPP范圍。將計算出的荷載條件同材料強度相比較，可以估計出材料變形、開裂、斷裂和磨損的風(fēng)險。仿真結(jié)果表明了不同的影響參數(shù)之間的相互作用，并有助于找到主要參數(shù)以進(jìn)行優(yōu)化。圖1 PSPP方法將摩擦學(xué)設(shè)計性能標(biāo)準(zhǔn)同表面特性、微觀結(jié)構(gòu)和涂層處理聯(lián)系起來計算機建模和仿真的方法是相當(dāng)費力的，其需要對材料有好的基本理解和對現(xiàn)象有好的建模。然而，當(dāng)一個有效的模型被建立，起信息是非常通用的，并且可以用于不同的應(yīng)用中。一個基本的要求是該模型的有效性，其必須進(jìn)行測試，該測試將模型的結(jié)果與相關(guān)實際驗證的結(jié)

12、果比較。該計算機建模和仿真方法包括幾個步驟，其結(jié)合了摩擦接觸分析、軟件開發(fā)、材料特性實驗測試與數(shù)值分析。該方法開發(fā)了一個準(zhǔn)確而通用的耐磨性優(yōu)化方程，其步驟特點如下面的圖2所示：（1） 確定接觸摩擦的相關(guān)尺寸規(guī)模水平以進(jìn)行優(yōu)化。（2） 分析接觸條件，并確定有可能的影響變量和參數(shù)。（3） 通過有限元法或分子動力學(xué)技術(shù)構(gòu)件接觸和材料模型。（4）確定該材料副的相關(guān)材料特性，如宏觀、微觀或納米級的材料特性。（5）對所選擇的材料和接觸條件進(jìn)行計算機模擬，以顯示當(dāng)前的應(yīng)力、應(yīng)變和變形。（6）將模擬結(jié)果同相同條件下的驗證測量結(jié)果比較，已確認(rèn)該模型的準(zhǔn)確性。（7）基于脆韌性材料的磨碎機理計算裂紋產(chǎn)生和增長的趨勢

13、，該結(jié)果可導(dǎo)致材料的分離。（8）用關(guān)鍵部位的應(yīng)力應(yīng)變峰值確定可能超過材料能力的主導(dǎo)變量。（9）進(jìn)行主導(dǎo)變量的參數(shù)分析，以展示其重量和相互作用，并制定表面耐磨性方程，以確定其有效性和準(zhǔn)確性的極限。圖2 基于計算機材料建模及加載響應(yīng)模擬的表面涂層的最佳耐磨性的優(yōu)化方法可根據(jù)上述方法來開發(fā)耐磨損性方程，其通常被限制在一定接觸機制的條件下，如劇烈的磨粒磨損、輕微滑動磨損、沖擊疲勞磨損等。方程可以覆蓋大范圍的材料、幾何形狀和能量變量。仿真可以用The equation can cover a large range of material, geometry and energy variables.

14、Simulations can be done to explore the risk for surface failure and wear in various conditions.仿真仿真來探討不同條件下的表面失效和磨損的風(fēng)險。如圖2所示的第一階段的方程不顯示累積的磨損過程，也不能預(yù)測相關(guān)磨損部件的壽命。它可以量化磨損引發(fā)的表面失效的風(fēng)險，并可以表示為表面耐磨性（SWR）。它是一個可以被設(shè)計師所使用的工具，以提高表面材料的選擇和增強機械零件的摩擦學(xué)設(shè)計【14】。本文先前已經(jīng)敘述了薄而均勻的涂層表面的計算機建模和仿真的所有步驟，如圖2所示，如TiN和DLC表面涂層【14,19-21,2

15、3,24,44】。這篇文章中將敘述熱噴涂WC-CoCr和激光熔覆WC-NiCrBSi厚合金涂層復(fù)合材料的（1）到（6）步驟。步驟（7）到（9）目前正在進(jìn)行中，以后將被單獨報道。根據(jù)上面所描述的方法，以此目的開發(fā)的軟件稱為VTT適當(dāng)調(diào)整。3、 材料及表征這項工作對兩種典型的厚復(fù)合涂層的耐磨性進(jìn)行了表面涂覆層建模和研究，這兩種涂層為熱噴涂WC-CoCr涂層和激光熔覆WC NiCrBSi涂層。兩個涂層的典型結(jié)構(gòu)如圖4a和圖5a所示。熱噴涂涂層的沉積通過用氫氣作為燃料氣體的高速氧燃料（HVOF）系統(tǒng)完成。該涂層結(jié)構(gòu)由密集的帶有厚度為5-20m典型層片的填充層片和直徑為10-50m層片組成。該結(jié)構(gòu)包括隨

16、機分布的裂縫、空隙和毛孔。CoCr金屬基體環(huán)繞著WC硬質(zhì)顆粒并包括該部位的脫碳區(qū)域，如圖4a所示。激光熔覆涂層的金屬基體材料是含Cr、B、Si合金元素的Ni基合金。粒徑在45-106m之間50球形的稠合WC粉末作為強化相被加入。用3Kw的光纖耦合二極管和同軸的包層噴嘴進(jìn)行激光熔敷。復(fù)合涂層結(jié)構(gòu)中的球狀WC顆粒分布在金屬NiCrBSi合金基體中（如圖5a），其中僅含有一些小的缺陷。兩種涂層沉積都是在進(jìn)行了590-710氧化鋁噴砂處理的AISI 1018鋼基體完成的，然后在丙酮浴中進(jìn)行超聲波清洗。為了得到模型準(zhǔn)確的輸入值，需要確定表面材料宏觀層面的力學(xué)性能，也需要確定非常詳細(xì)的兩個復(fù)合結(jié)構(gòu)的微觀性

17、質(zhì)。確定準(zhǔn)確適當(dāng)?shù)奈⒂^尺度通常是一個相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。在某些情況下，當(dāng)沒有合適的測量方法被使用時，就使用從文獻(xiàn)中得到的值。兩個涂層材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)數(shù)據(jù)可以再表1中找到。另外，材料的數(shù)據(jù)使用給定的碳鋼為參考材料。這用來作為參考與第8節(jié)中復(fù)合涂層的摩擦學(xué)性能比較。圖3 一種理想合成無缺陷的典型WC-CoCr涂層的有限元網(wǎng)格，著色表示覆蓋在微觀幾何形狀的頂部元素的形態(tài)指標(biāo)圖4 （a）為來自SEM圖像的WC-CoCr涂層的微觀結(jié)構(gòu)，（b）為相同實際模型結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格圖5 （a）為來自SEM圖像的WC-NiCrBSi合金涂層的微觀結(jié)構(gòu)，（b）為相同實際模型結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格表1 材料的結(jié)構(gòu)和性能數(shù)據(jù)4、復(fù)合

18、涂層的建模 在下面是三個基本不同有限元模型生成程序的開發(fā)和運用的詳細(xì)介紹。它們分別是： （i）一個理想的沒有缺陷的合成材料模型， （ii）一個含有缺陷的先進(jìn)合成材料模型， （iii）基于真實圖像材料模型。這些定義反映了該部位的微觀結(jié)構(gòu)是怎么樣簡化，并且完成了數(shù)值建模和仿真的目的。我們使用了三種不同的模型來研究，因為每一組涂料都分別給出了一組結(jié)果，并且它們是相互補充的。合成的材料模型對理解通用材料在外載荷作用下的特性是有用的,并對識別相關(guān)關(guān)鍵和主導(dǎo)的磨損參數(shù)有用。該理想無缺陷的合成模型對調(diào)查通用材料的參數(shù)是有效的,因為他們以基線出現(xiàn)在在理想結(jié)構(gòu)中,而先進(jìn)的合成模型對研究相關(guān)材料中缺陷和孔隙的相互

19、作用效果是有效的?；趫D像的真實模型給出了關(guān)于具體涂層結(jié)構(gòu)材料詳細(xì)而準(zhǔn)確的研究，無論在微觀還是宏觀規(guī)模，該模型給出了關(guān)于變形和應(yīng)力非常精確的信息，因為它們根據(jù)該材料的具體負(fù)載而出現(xiàn)。4.1 合成和真實圖像的基礎(chǔ)材料模型4.1.1 合成材料的模型合成模型是基于一個數(shù)學(xué)描述的實際微觀結(jié)構(gòu)。它們包含的評價和的顯微結(jié)構(gòu)特征及其分布定量如加強顆粒大小，形狀和密度，并進(jìn)一步通過統(tǒng)計和隨機所確定的性質(zhì)表示。通常，這包括例如在兩個或三個維度上的鑲嵌方法，為了獲得或者簡化模型的聚合類型，或介觀模型組件和表征類型解決方案領(lǐng)域的模型。合成的模型可以基于任一多邊形或三維像素/像素相位的幾何形狀，或兩者組合的表示形式。該最常見的合成方法是應(yīng)用各種鑲嵌技術(shù)生成晶粒幾何體，通常是適用于多晶材料。對涉及分析金屬材料的基于鑲嵌法的合成聚合已經(jīng)被Fritzen【45】和Quey【34】等人提出。將有所不同的路建立數(shù)值模型的原因在于可能使用它們提取不同性質(zhì)的結(jié)果。理想的合成模型相當(dāng)接近實際的微管結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)，但它們有可取限制控制變量的數(shù)量結(jié)構(gòu)屬性。因此，簡單的合成模型可以基于結(jié)構(gòu)特性提供答案和解釋，如形狀、尺寸、平均自