TiAlN涂层循环热冲击载荷作用下的残余应力拉曼光谱研究
发布时间：2021-01-25 03:18
TiAlN涂层由于具有硬度高、热硬性好、附着力强、氧化温度高、摩擦系数小、导热率低等优良特性,被广泛用于刀具的保护涂层。然而,由于涂层和基体的热膨胀系数不同等原因常常在涂层中引入残余应力,并且残余应力与服役载荷共同作用,常常导致涂层过早失效。因此,深刻认识、定量表征TiAlN涂层在不同服役环境下的残余应力,是获得刀具最佳性能并提高其使用寿命的重要保障。本文首先探讨了TiAlN涂层残余应力拉曼光谱法测量的关键问题,并使用红外热成像仪测量了不同主轴转速、不同进给速度、不同轴向和径向切深下的切屑温度,在此基础上确定了TiAlN涂层样品循环热冲击的设定温度。实验显示,TiAlN涂层刀具在中速铣削过程中其切屑温度随主轴转速的增加线性降低、随进给速度和轴向切深的增加而线性增加;TiAlN涂层刀具在中速铣削加工中的最高热冲击温度在375℃附近。本文分别测量了不锈钢、高速钢两种基底的TiAlN涂层样品经历375℃、700℃两种温度下的不同次数热冲击后的表面残余应力,讨论了TiAlN涂层中的表面残余应力随热冲击次数的变化规律。实验结果表明,沉积在不锈钢、高速钢基底上的TiAlN涂层中存在拉伸残余应力,涂...
【文章来源】： 薛凯 天津职业技术师范大学
【文章页数】：58 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
涂层失效形式
2生的残余应力会导致基体的曲率发生变化，通过曲率的变化反推残余应力的大小，一般采用Stoney公式（1-1）计算残余应力。公式中的下标f对应涂层、s对应基底、t为涂层和基底的厚度、r为曲率半径、E和v分别是基底的弹性模量和泊松比。2sfsft=16rtE（）（1-1）图1-2基底涂层挠曲示意图曲率检测技术被广泛用于各种薄膜与涂层结构的残余应力测量：王等[12]使用曲率法测量了涂层残余应力随温度的变化曲线，通过不同类型基底材料与镍钛涂层热膨胀系数的不同计算出了不同涂层材料的残余应力，探究了基材约束下镍钛形状记忆合金膜的马氏体转变行为和尺度效应。邸等[13]使用曲率法测量了基体孔隙率和掺杂浓度对多孔硅涂层的残余应力的影响，发现随着孔隙率的增加和硼离子掺杂浓度的增加，多孔硅表面的张力逐渐响应升高，表明多孔硅膜的微观结构与残余应力的大小密切相关。石等[14]使用曲率法对SUS304基底上不同厚度的Ti涂层和TiN涂层进行了正测法和背测法测量，得到了两种涂层基底的曲率半径，采用Stoney公式计算涂层残余应力，发现当涂层残余应力水平较高(＞1GPa)时，背测法结果可以如实反映涂层的应力水平；但当涂层应力水平较低(＜1GPa)时，背测法结果存在较大误差。虞等[15]使用曲率法与有限元分析结合的方式测量研究了微机电系统涂层的残余应力，研究表明修正后的Stoney公式在很大程度上提高涂层残余应力的测量精度，使曲率测量技术的适用范围得到较大扩展，但当涂层结构产生较大变形时计算精度会受到影响，另外有限元的方法存在曲率空间分布不均的问题。杨[15]等使用曲率法测量了电声学器件涂层的残余应力，结果表面二氧化硅热氧化物层的上下电极层均存在时残余应力较大，并通过调整热氧化二氧化硅层的厚度优化器件复合膜片?
3底曲率的变化，该变化对应于整个涂层中的平均应力[17]，对于局部残余应力的测量无能为力，更无法用于涂层结构在实际服役过程中的残余应力演化的测量。1.2.2.钻孔检测技术钻孔检测技术又称盲孔法或套孔法，其原理是将特制箔式应变片粘贴在涂层表面上，在应变片中心钻一个直径和深度接近的小孔，产生局部应力释放，释放的应变可通过连接各个应变片的应变仪读取出来[16]，实物如图1-3所示。图1-3试件钻孔处（左）、应变测试仪（右）戴等人[18]通过使用莫尔干涉测量法测量的位移信息来代替变形仪测量的变形信息，从而使用便携式钻孔系统确定了残余应力，同时测量了铝合金激光焊接试件和焊缝的残余应力以及接缝中心的残余应力值。欧阳等人[20]使用弹塑性理论研究了通过钻孔测量残余应力变化，研究了弹性极限和被分析样品的应力场对钻孔的附加应力的影响。得到了附加变形的一般表达式，发现钻孔引入的附加变形与被分析样品的原始残余应力随应力水平的增加而增加，当压缩应力减小到某个临界值σ时，附加的穿孔会变形坍缩，实验结果与Ly12铝合金（新牌号2A12）的实验测量结果一致。刘等人[21]使用钻孔方法测量了汽车制动鼓的残余张力，得到了120个制动鼓铸件的残余应力。并发现通过使用辅助设备将钻孔工具放置在钻孔中，可以确保测量的准确性和可靠性。杨等人[22]使用钻孔测量法研究了等离子喷涂热障涂层的残余应力，发现了对基板进行预热可以显着降低陶瓷顶层内产生的残余应力。通过钻孔法测量涂层中的残余应力将其与模拟结果进行定量比较，通过有限元模拟计算发现结果与实验测量数据的结果吻合良好。通过阅读文献对比发现钻孔法的测量会对连同基底和涂层一起进行一定程度的破坏，在测量的过程中就会引入影响测量结果的其他残余应力[23]，甚至直接
本文编号：2998456
【文章来源】： 薛凯 天津职业技术师范大学
【文章页数】：58 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
涂层失效形式
2生的残余应力会导致基体的曲率发生变化，通过曲率的变化反推残余应力的大小，一般采用Stoney公式（1-1）计算残余应力。公式中的下标f对应涂层、s对应基底、t为涂层和基底的厚度、r为曲率半径、E和v分别是基底的弹性模量和泊松比。2sfsft=16rtE（）（1-1）图1-2基底涂层挠曲示意图曲率检测技术被广泛用于各种薄膜与涂层结构的残余应力测量：王等[12]使用曲率法测量了涂层残余应力随温度的变化曲线，通过不同类型基底材料与镍钛涂层热膨胀系数的不同计算出了不同涂层材料的残余应力，探究了基材约束下镍钛形状记忆合金膜的马氏体转变行为和尺度效应。邸等[13]使用曲率法测量了基体孔隙率和掺杂浓度对多孔硅涂层的残余应力的影响，发现随着孔隙率的增加和硼离子掺杂浓度的增加，多孔硅表面的张力逐渐响应升高，表明多孔硅膜的微观结构与残余应力的大小密切相关。石等[14]使用曲率法对SUS304基底上不同厚度的Ti涂层和TiN涂层进行了正测法和背测法测量，得到了两种涂层基底的曲率半径，采用Stoney公式计算涂层残余应力，发现当涂层残余应力水平较高(＞1GPa)时，背测法结果可以如实反映涂层的应力水平；但当涂层应力水平较低(＜1GPa)时，背测法结果存在较大误差。虞等[15]使用曲率法与有限元分析结合的方式测量研究了微机电系统涂层的残余应力，研究表明修正后的Stoney公式在很大程度上提高涂层残余应力的测量精度，使曲率测量技术的适用范围得到较大扩展，但当涂层结构产生较大变形时计算精度会受到影响，另外有限元的方法存在曲率空间分布不均的问题。杨[15]等使用曲率法测量了电声学器件涂层的残余应力，结果表面二氧化硅热氧化物层的上下电极层均存在时残余应力较大，并通过调整热氧化二氧化硅层的厚度优化器件复合膜片?
3底曲率的变化，该变化对应于整个涂层中的平均应力[17]，对于局部残余应力的测量无能为力，更无法用于涂层结构在实际服役过程中的残余应力演化的测量。1.2.2.钻孔检测技术钻孔检测技术又称盲孔法或套孔法，其原理是将特制箔式应变片粘贴在涂层表面上，在应变片中心钻一个直径和深度接近的小孔，产生局部应力释放，释放的应变可通过连接各个应变片的应变仪读取出来[16]，实物如图1-3所示。图1-3试件钻孔处（左）、应变测试仪（右）戴等人[18]通过使用莫尔干涉测量法测量的位移信息来代替变形仪测量的变形信息，从而使用便携式钻孔系统确定了残余应力，同时测量了铝合金激光焊接试件和焊缝的残余应力以及接缝中心的残余应力值。欧阳等人[20]使用弹塑性理论研究了通过钻孔测量残余应力变化，研究了弹性极限和被分析样品的应力场对钻孔的附加应力的影响。得到了附加变形的一般表达式，发现钻孔引入的附加变形与被分析样品的原始残余应力随应力水平的增加而增加，当压缩应力减小到某个临界值σ时，附加的穿孔会变形坍缩，实验结果与Ly12铝合金（新牌号2A12）的实验测量结果一致。刘等人[21]使用钻孔方法测量了汽车制动鼓的残余张力，得到了120个制动鼓铸件的残余应力。并发现通过使用辅助设备将钻孔工具放置在钻孔中，可以确保测量的准确性和可靠性。杨等人[22]使用钻孔测量法研究了等离子喷涂热障涂层的残余应力，发现了对基板进行预热可以显着降低陶瓷顶层内产生的残余应力。通过钻孔法测量涂层中的残余应力将其与模拟结果进行定量比较，通过有限元模拟计算发现结果与实验测量数据的结果吻合良好。通过阅读文献对比发现钻孔法的测量会对连同基底和涂层一起进行一定程度的破坏，在测量的过程中就会引入影响测量结果的其他残余应力[23]，甚至直接
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