基于微觀尺度的陶瓷硬涂層彈性模量及阻尼性能研究.pdf

1、硬涂層阻尼技術能夠提高構件的阻尼能力、抗振動疲勞能力，已經(jīng)逐漸應用到航空發(fā)動機、燃氣輪機等高端機械裝備的關鍵件上。典型的高阻尼硬涂層包含大量的內(nèi)部層狀界面以及空隙等，其斷面形貌表現(xiàn)出復雜的界面和微觀結(jié)構，這些微觀結(jié)構直接決定了結(jié)構的力學、機械性能。近些年來，國際上針對涂層制備對涂層結(jié)構產(chǎn)生的影響以及如何影響開展了大量研究，但是缺乏對涂層的微觀結(jié)構與其力學性能及阻尼特性之間關系的研究。因此，在微觀尺度上研究硬涂層的結(jié)構與其宏觀性能之間的關

2、系，有利于從更深層次了解阻尼涂層作用機制，對硬涂層的結(jié)構及性能的主動設計及優(yōu)化具有重要意義。
　　本文以典型的陶瓷基硬涂層結(jié)構為研究對象，基于其微觀結(jié)構圖，采用圖像處理的方法建立其ABAQUS二維有限元模型，通過計算其彈性模量及損耗因子，研究了涂層微觀結(jié)構與其彈性模量及阻尼特性的相互關系。本文主要工作內(nèi)容包括：
　?。?）利用大氣等離子噴涂方法制備兩組不同電弧功率下的8YSZ陶瓷基硬涂層，對比觀察其微觀形貌，結(jié)果表明：較高的

3、電弧功率能得到孔隙率相對較低的涂層樣件。
　?。?）在不同溫度下，采用 DMA測試方法對本文制備的兩組涂層樣件進行試驗分析，獲得其儲能模量及損耗因子隨溫度的變化曲線，結(jié)果表明：涂層儲能模量隨溫度的升高呈下降趨勢，損耗因子隨溫度的升高呈先增加后下降趨勢。且室溫下，實測得到孔隙率較低的涂層樣件a1的彈性模量為173.331GPa，損耗因子為0.003；孔隙率較高的涂層樣件a2的彈性模量為159.865GPa，損耗因子為0.0069。即

4、涂層孔隙率越高，儲能模量越低，損耗因子越高。
　?。?）采用圖像法對涂層微觀結(jié)構金相圖進行灰度處理，再提取其微觀結(jié)構輪廓并進行矢量化處理，進而建立其微觀結(jié)構二維有限元模型，基于均勻化方法求解其彈性模量，分別與本文制備的兩組涂層樣件及文獻中樣件的試驗結(jié)果進行對比，誤差分別為3%和7%，驗證方法的有效性。
　?。?）通過對比選擇合適的微觀結(jié)構特征參數(shù)將涂層復雜模型簡化為含圓孔及線裂紋的二維模型，求解其彈性模量，并與試驗結(jié)果對比，

5、驗證了簡化模型的計算精度?；诖撕喕Ｐ?，對涂層微觀結(jié)構與其彈性模量的關系進行研究，同時研究了涂層彈性模量的應變依賴性，結(jié)果表明：涂層的彈性模量隨著孔隙率的增大呈下降趨勢，隨著裂紋密度的增大呈下降趨勢，隨著孔隙大小均勻性的增大變化趨勢不明顯，且隨著應變輸入的增大呈下降趨勢。
　?。?）通過圖像處理建立涂層含微觀裂紋的二維模型，設置裂紋面的摩擦接觸，進而計算模型加載過程中裂紋面開閉的摩擦作用導致的能量耗散，再采用摩擦耗能及損耗因子表