等离子喷涂双层热障涂层沉积过程的数值模拟

焊 接 学 报

Vol.30 No.11November 2009

TRANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTION

等离子喷涂双层热障涂层沉积过程的数值模拟

侯平均, 王汉功, 汪刘应, 袁晓静

(第二炮兵工程学院501室,西安 710025)

摘 要:运用ANSYS10.0有限元分析软件对等离子喷涂典型双层热障涂层沉积过程的温度和应力变化过程进行了数值模拟.结果表明,喷涂过程中,基体背面温度呈台阶状上升,涂层颗粒的温度大幅度周期波动,涂层颗粒的应力随之大幅度周期波动;喷涂结束后,涂层内的残余应力趋于稳定,x方向的最大拉应力存在于陶瓷层与粘结层结合面的边缘;最大y方向拉应力和层间应力都存在于陶瓷层和粘结层的结合面上.涂层的结合面边缘是应力集中部位,结合面的中部应力分布均匀.陶瓷层表面x方向的最大拉应力为423.7MPa.

关键词:数值模拟;等离子喷涂;热障涂层;温度场;残余应力中图分类号:TG148

文献标识码:A

文章编号:0253-360X(2009)11-0097-04

侯平均

0 序 言

在等离子喷涂制备热障涂层过程中,基体与涂

层将随着温度的改变而变形,由于涂层与基体线膨胀系数(CTE)不匹配,涂层与基体中将产生残余应力,这可能会引起涂层与基体的剥离.由于热喷涂涂层所具有的特性,加上各种测试方法本身的特点和有限的测试条件,采用各种测试方法欲获得涂层残余应力的准确值仍存在一定的难度.现阶段,计算机和各种模拟工具的发展,使得研究涂层沉积

[2,3][4]

过程产生的残余应力成为可能.程世杰等人、Ng等人

[5]

[1]

种涂层分别再分为三薄层(薄层的厚度均为0.1mm),模拟喷涂每种涂层按照/左右,右左0的顺序连续/激活0相邻涂层单元方式进行.几何模型及有限元网格划分如图1所示.

应用有限元分析软件模拟了等离子喷涂

过程中涂层中产生的残余应力,但都是采用逐层分析的方法,与大面积涂层制备有差别.

文中运用有限元分析软件ANSYS10.0,采用单元/生死0技术,通过逐个/激活0涂层单元来模拟等离子喷涂双层ZrO2PNiCoCrAlY热障涂层的沉积过程,计算此过程中涂层的温度和应力,为优化制备热障涂层工艺参数提供参考依据.

1 模型建立

1.1 几何模型

模拟在厚度为20mm的不锈钢基体上制备双层热障涂层的粘结层和陶瓷层厚度均为0.3mm.每

收稿日期:2008-12-18

图1 热障涂层模型

Fig11 ModelsofTBCsforfiniteelementanalysis

1.2 涂层材料及基体物理参数

模拟等离子喷涂制备典型双层热障涂层的涂层材料及基体的物理参数如表1所示

[5,6]

.

98焊 接 学 报

表1 涂层与基体的物理参数

Table1 Propertiesofcoatingsandsubstrate

第30卷

材料

温度TPe20080025

密度QP(kg#m-3)5700

弹性模量EPGPa53225

屈服强度ReLPMPa

切变模量GPMPa

泊松比L0.230

线膨胀系数

-6-1

AK)l(10

热导率KP(W#m-1#K-1)

0.550.610.6.36.410.217.620.523.526.4

比热容cP(J#kg-1#K-1)

500576637501592781

9.110.210.911.6

3001400

68820600

0.3000.2430.250

10005007

170009000100

17.017.518.214.016.0

7320

1861471981174

7900

157

ZrO2

NiCoCrAlY40080025200400

1Cr18Ni9Ti60080010002000

502

2 有限元计算

在分析中做以下几点假设:(1)整个涂层系统

(陶瓷层、粘结层和基体)没有缺陷.(2)基体和粘结层材料服从双线性随动强化模型,而且材料为各向同性.(3)陶瓷层、粘结层和基体之间的界面为光滑界面,不考虑界面粗糙度的影响,在界面处不产生相对滑动.(4)在热分析过程中,只考虑试样表面与空气对流传热,不考虑辐射传热的影响.

2.1 边界条件

[5]

喷涂过程中对流载荷条件如图2所示.其中,hb=8WP(m#K),Tb=30e;hr=20WP(m#K),Tr=127e;hi=320WP(m#K),Ti=700e(喷涂粘结层),Ti=800e(喷涂陶瓷层).粘结层和陶瓷层单元初始温度分别为它们的熔点:1400,2205e.它们的结晶潜热分别为2.196@10JPm和4.286@10JPm.在喷涂结束以后,试样的四周加载hb=8

2

WP(m#K),Tb=30e的对流载荷,自然冷却1000s.9

3

9

3

2

2

2

度和残余应力计算.模型的网格划分如图1所示.计算时,首先加载边界条件,应用APDL命令流控制计算过程,先将涂层单元全部/杀死0,然后按照/从左到右,再从右到左0的顺序逐一/激活0涂层单元,进行分析计算.

3 数值模拟结果与分析

3.1 涂层沉积过程中的温度变化

图2为喷涂最后一层陶瓷涂层时,加载第461步温度载荷后的温度场云图.此时陶瓷颗粒的温度为2478K(2205e),陶瓷颗粒处于熔融状态,与之接触的单元吸收该颗粒的热量温度升高,温度场呈/扇形0分布.基体表面沉积5层涂层后,基体的最低温度也从27e上升到249e,随着喷涂的进行基体温度继续升高,喷涂结束时达到最高值.

图2 喷涂过程中对流载荷条件

Fig12 Convectionconditionsofsprayingprocess

图3 第461步温度场云图Fig13 Temperaturecontourof461step

2.2 计算过程

采用热

结构直接耦合单元PLANE13进行温

在基体背面和每一层涂层表面的中间位置各选取一个节点,节点位置见图1.图4a为A点的温度

第11期侯平均,等:等离子喷涂双层热障涂层沉积过程的数值模拟 99

随时间变化曲线,可以看出,随着喷涂的进行,A点的温度呈阶梯状升高.A点的最高温度为581e.图4b,c分别为节点D和G的温度随时间变化曲线.涂层单元被/激活0时(也就是涂层颗粒沉积时),单元上的节点温度达到最高.节点D是第3层粘结层表面上的节点,后续3层陶瓷层沉积到此位置时,该

点温度出现了3次峰值,但随着涂层的增厚,后续沉积涂层对其温度的影响也逐渐减弱.涂层颗粒在喷涂过程中经历多次快速升温和快速降温的热冲击作用,这会使涂层中产生较大的应力.喷涂结束后经过1000s冷却,涂层和基体的温度基本均匀达到室温.

图4 不同节点的温度随时间变化曲线Fig14 Temperaturecurvesofnodes

3.2 涂层沉积过程中的应力分析

图5为节点D的应力随时间变化曲线.D点5s以前的应力为0,该点所在的单元在5s之前未被/激活0,也就是涂层颗粒还没有沉积.之后,该点的应力在喷涂过程中剧烈波动,喷涂结束后应力逐步稳定.D点的Rx(x方向应力)波动幅度较大(图5a),这是因为D点经历了4次被快速加热和快速冷

却过程,该单元在快速膨胀和收缩过程中产生了较大的x方向应力.喷涂结束后,经过自然冷却,D点的Rx逐渐稳定约为80MPa的拉应力.D点的Ry(y方向应力)和Rxy(层间应力)也存在一定幅度的拉应力和压应力波动(图5b,c),但最后都变为较小的压应力,这是因为D点y方向和层间的温度梯度很小.

图5 节点D的应力随时间变化曲线Fig15 StresscurvesofnodeD

图6a为试样自然冷却到室温后Rx的分布,最大拉应力为466MPa,存在于陶瓷层和粘结层的结合面的边缘,这是因为陶瓷层快速冷却收缩时会对粘结层产生拉伸作用.陶瓷层表面也存在较大拉应力,这是因为粘结层的整体膨胀对陶瓷层产生拉伸作用,另外,陶瓷层表面在冷却收缩过程中也会产生相反方向拉应力,这是造成陶瓷层表面存在大量微裂纹的原因.x方向最大压应力为258MPa,存在于

基体与粘结层的结合界面处,这是由于喷涂时粘结层收缩造成的.图6b为试样自然冷却到室温后Ry的分布,最大拉应力为161MPa,存在于陶瓷层与粘结层的结合面上.这是由于陶瓷层与粘结层的线膨胀系数不同,降温收缩时粘结层收缩量大,在y方向上对陶瓷层产生了较大的拉应力.造成陶瓷层与粘结层的结合强度较低,所以在热震过程中陶瓷层最容易剥落.图6c为试样自然冷却到室温后Rxy的

100焊 接 学 报第30卷

图6 试样冷却至室温后涂层残余应力分布Fig16 Residualstresscontoursatroomtemperature

分布,其中最大层间拉应力为95.7MPa,也存在于陶瓷层和粘结层的结合面上.

结合面是应力集中部位,在有限元模型上定义路径:H-H、I-I和J-J(图1),分别代表粘结层与基体结合面、陶瓷层与粘结层结合面和陶瓷层表面.喷涂结束时,界面上的残余应力分布如图7所示.涂层结合面边缘处是应力集中和应力急剧变化的部位,这是因为该部位材料的热力学性能出现突变,传热条件复杂,另外喷涂过程中该部位在较短时间内经历了两次快速升温和降温过程,温度剧烈变化造成应力集中.H-H界面上,x方向主要存在压应力

(图7a),最大值为221.6MPa;在涂层边缘y方向上的拉应力最大,最大值为174.0MPa;涂层边缘的层间应力主要为拉应力.I-I界面上,三种应力在x=0附近达到最大拉应力(图7b),在x=2.0mm附近达到最大压应力;在试样中部x方向的拉应力约为80MPa.J-J表面x方向上存在较大拉应力(图7c),其中试样中部较大范围存在拉应力,最大

[5]

值为423.7MPa.Ng等人采用逐层沉积的方法模拟计算出涂层冷却到室温时,陶瓷层表面中部的x方向上拉应力为411MPa.这个数值与文献[7]给出的值也比较接近.

图7 残余应力沿界面的变化曲线Fig17 Residualstresscurvesalonginterfaces

结合面处,分别为161,95.7MPa.

4 结 论

(1)数值模拟涂层沉积过程中,基体背面温度呈台阶状上升,最高温度为581e;涂层颗粒的温度大幅度周期波动.

(2)喷涂过程中陶瓷层与粘结层结合面上节点D的x方向应力大幅度周期波动,喷涂结束后,应力逐渐减小为80MPa的拉应力;y方向应力和层间应力在喷涂过程中小幅度波动.

(3)喷涂结束后,x方向最大拉应力为466MPa,存在于陶瓷层与粘结层结合面的边缘;最大y方向拉应力和层间应力都存在于陶瓷层和粘结层的

(4)涂层的结合面边缘处是应力集中部位,结合面的中间部分应力均匀.粘结层与基体的结合面上,x方向最大压应力为221.6MPa;y方向最大拉应力为174.0MPa.陶瓷层表面的x方向最大拉应力为423.7MPa.参考文献:

[1] ZhangXiancheng,GongJiamning,TuShandong.Effectsofcondition

andmaterialpropertiesontheresidualstressinplasmaspraying[J].JournalMaterialsScienceandTechnology,2004,20(2):149-153.

[下转第104页]

104焊 接 学 报第30卷

参考文献:

[1] JohnsonA,LegerP,HoffmanR,etal.32Dobjectmodelingandrec2

ognitionforteleroboticmanipulation[C]MProceedingsofIEEEIntelli2gentRobotsandSystems,Pittsburgh,USA,1995:103-110.[2] 李金泉.基于视觉弧焊机器人焊缝空间位置信息获取技术的

研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2003.

[3] WangZL,ZhangJ,CaiHG.Multibaselinestereowithactiveillumi2

nationanditsapplicationinrobotwelding[J].ChinaWelding,2000,9(2):152-160.

[4] LiangZM,GaoHM,WangZJ,etal.3Dreconstructionofwelding

environmentbasedonspacetimestereo[J].LectureNotesinControlandInformationSciences:RoboticWelding,IntelligenceandAutoma2tion,2007,362:211-218.

[5] LiangZM,GaoHM,NieL,etal.3Dreconstructionfortelerobotic

welding[C]MProceedingsofIEEEInternationalConferenceonMecha2tronicsandAutomation,Harbin,China,2007:475-479.

[6] HooverA,Jean2BaptisteG,JiangX,etal.Anexperimentalcompari2

sonofrangeimagesegmentationalgorithms[J].IEEETransactionsonPatternAnalysisandMachineIntelligence,1996,18(7):673-6.

图5 重建的马鞍形工件三维模型

Fig15 Reconstructed3Dmodelofsaddleworkpiece

4 结 论

(1)改进的视差图分割算法在法线计算和区域增长之后,再进行区域合并,通过边界探测和合并曲面步骤,能够将属于同一曲面的区域重新合并到一起.较好地完成了含有圆柱面的视差图的分割,且

避免了通用算法计算的复杂性和鲁棒性问题.

(2)通过立体视觉系统对马鞍形工件进行三维重建的结果说明,该算法可以用于实际焊接工件的视差图分割,其三维重建结果满足遥控焊接初始运动规划的精度要求.

作者简介:

王 军,男,1968年出生,博士,副教授,硕士生导师.

主要从事先进连接技术及焊接过程自动控制方面的教学和科研工作.发表论文20余篇.

Email:

hebustwangjun@163.com

[上接第100页]

[2] BengtssonP,PerssonC.Modeledandmeasuredresidualstressesin

plasmasprayedthermalbarriercoatings[J].Surface&CoatingTechn2ology,1997,191(92):78-86.

[3] LugscheiderE,BarimaniC,ErittU,etal.FE2simulationsoftemper2

atureandstressfielddistributioninthermallysprayedcoatingsduetodepositionprocess[C]MProceedingsofthe15thInternationalThermalSprayConference,France,1998:367-372.

[4] 程世杰,高嘉爽,刘爱国,等.聚酰亚胺复合材料等离子喷涂

温度场的数值模拟[J].焊接学报,2006,27(7):101-104.ChengShijie,GaoJiashuang,LiuAiguo,etal.Temperaturenumeri2calsimulationofplasmasprayedpolymerizedimidecoating[J].Trans2actionsoftheChinaWeldingInstitution,2006,27(7):101-104.

[5] NgHW,GanZ.Afiniteelementanalysistechniqueforpredictingas2

sprayedresidualstressesgeneratedbytheplasmaspraycoatingprocess[J].FiniteElementsinAnalysisandDesign,2005,41:1235-12.

[6] 机械工程材料性能手册编委.机械工程材料性能手册[M].北

京:机械工业出版社,1995.

[7] EvansAG,MummDR,HutchinsonJW,etal.Mechanismscon2

trollingthedurabilityofthermalbarriercoatings[J].ProgressinMa2terialsScience,2001,46(5):505-553.

作者简介:Email:

侯平均,男,1974年出生,博士研究生,工程师.主要

从事表面工程方面的研究工作.发表论文10余篇.

bighou@126.com

ÖMAINTOPICS,ABSTRACTS&KEYWORDS2009,Vol.30,No.11

wouldseriouslyimpairthepropertiesofthesolderedjointisfound.

Keywords: Znbasedalloy;interfacialzone;reactionmechanism;microstructure

Finiteelementanalysisonreliabilityoflead2freesolderedjointsforCSPdevice YEHuan,XUESongbai,ZHANGLiang,WANGHui(CollegeofMaterialsScienceandTechnology,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,Chi2na).p93-96

Abstract: FiniteelementmethodwasemployedtoanalyzethereliabilityofsolderedjointinaCSPdevice.AnandmodelwasusedtoestablishtheconstitutiveequationofSn3.0Ag0.5Cusolder,andbyaregioncombinationstep,therevisedalgorithmcandealwiththedisparitymapcontainingcylindersurface.Thecombinationstepcouldbedividedintoboundarydetectingandcurveregionrela2beling.Duringboundarydetection,thepixelattheboundaryofthesegmentedregionafterplanesegmentationwasrecorded.Incurveregionrelabeling,theadjacentregionsinthesamecurvedsurfacewereassignedwiththesamelabelbycomparingtheboundarypixels.normaldirectionanddistancebetweenthem.Asegmentedresultofdisparitymapofsaddleworkpieceisshowntoprovethefeasibilityofthealgorithm.

Keywords: disparitymapsegmentation;stereovision;3Dreconstruction;remotewelding.

thestressbehaviorofsolderedjointwasstudied.Theresultsindicatethatthemaximalstressislocatedattheuppersurfaceofthesolderedjointwhichisundertheoutermostofchip.Thephenomenonofstressrelaxationandaccumulatedenhancementcouldbeobservedobviouslyfromthecurvesofstressandtemperaturewithtimecycle.Reliabilityofsolderedjointswiththreeusually2usedheightsarecompared,andtheresultsshowsthatthe0.35mm@0.18mmonehasthebestreli2ability.Moreover,theinfluenceofchipthicknessonthereliabilityofsolderedjointsareinvestigatedinthelastpart,thesimulationresultindicatesthattheinfluenceislittle.

Keywords: chipscalepackage;lead2freesolderedjoint;reliability;finiteelementanalysis

Numericalsimulationondepositionprocessofduplexthermalbarriercoatingbyplasmaspraying HOUPingjun,WANGHangong,WANGLiuying,YUANXiaojing(501staff,TheSecondArtilleryEngineeringCollege,Xi.an710025,China).p97-100,104

Abstract: Numericalsimulationwasperformedbyfiniteele2mentanalysis(FEA)toinvestigatethetemperatureandstressinatypicalduplexthermalbarriercoating.Duringthesprayingprocess,thetemperatureofthebacksurfaceofsubstrateincreasesstepbystep,boththetemperatureandthestressofthecoatingfluctuatepe2riodicallywithinawiderange.Afterthedeposition,thespecimenwascooledtotheroomtemperatureslowly.Thestressesbecomecon2stantvalues,andthemaximumradialtensilestressexistsatthein2terfacebetweentheceramiclayerandthebondinglayer,andthemaximumaxialandshearstressesexistattheinterface,whereistheconcentratedstressarea.Thestressesofthemiddleinterfacesareuniform.Themaximumtensilestressontheceramiclayersurfaceis423.7MPa.

Keywords: numericalsimulation;plasmaspraying;thermalbarriercoatings;temperaturefield;residualstress

Adisparitymapsegmentationalgorithmfor3Dreconstructionofweldworkpiece WANGJun1,LIANGZhimin1,2,GAOHongming2(1.SchoolofMaterialsScienceandTechnology,HebeiUniversityofScienceandTechnology,Shijiazhuang050018,China;2.StateKeyLaboratoryofAdvancedWeldingProductionTechnolo2gy,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China).p101-104

Abstract: Inremotewelding,thesegmentationofdisparitymapisanimportantsteptocreate3Dmodelofweldworkpiecebystereovisionsensor.Inthispaper,theUSFplanerangeimageseg2mentationalgorithmwasintroducedintodisparitymapsegmentation,

Integratedlifepredictionmethodofballgridarraysolderedjoint CHENYing,KANGRui(DepartmentofSystemEngineer2ingofEngineeringTechnology,BeijingUniversityofAeronautics&Astronautics,Beijing100191,China).p105-108

Abstract: Toquicklyestimatethesolderedjointlifetimeoftheballgridarraypackage,theanalyticalmodelofthesimplifiedstressdistributionwasfoundedandthethermalfatiguelifetimewascalculatedbythecreeplifetimepredictionmodel.Whenthepreciseresultswereneeded,thethreedimensionalfiniteelementmodelwasfoundedandthestressdistributioninsolderedjointwascalculatedbyAnandconstructivefunctionofANSYS,thenthethermalfatiguelife2timewasgivenbytheDarveauxmodel.TheanalyticalmethodandthefiniteelementmethodwereintegratedtoamainprogrambythesecondarydevelopmentfunctionofANSYS.Withthisprogram,thelifetimeofthesolderedjointcanbequicklyestimatedorpreciselypredictedwiththepackagingandsolderedjointdimension,materialparametersandthethermalcycleparameters.Resultsofthecaseshowthattheanalyticalmodelresultsaremoresensitivetothevaria2tionoftheparameters,whiletheanalyzedresultsbyfiniteelementmodelarestable.

Keywords: ballgridarraypackage;solderedjoint;analyti2calmethod;FEA;lifetimepredication

EffectofTicontentonmicrostructuretoughnessofdepositedmetalwithfluxcoredwire WANGZheng1,GUIChibin1,WANGYuhua2(1.CollegeofNavalArchitecture&Power,NavalUniversityofEngineering,Wuhan430033,China;2.NavalMilit2aryDelegationRoomof407Factory,Luoyang471039,Henan,Chi2na).p109-112

Abstract: TheeffectsofTicontentonmicrostructurecharac2teristicofdepositedmetalwithfluxcoredwirewereinvestigatedwithdifferentcontentsofTi2FepowderundertheprotectionofCO2andAr+20%CO2.TheresultsshowthattheinclusionsindepositedmetalaremainlycomplexoxidescomposedofMnO2TiOx2Al2O32SiO2inSi2Mn2Tideoxidizedfluxcoredwire.WiththeincreasingofTicontentinfluxcoredwire,thecontentofTiintheinclusionsincreases,andmostofinclusionsareintherangeof0.3~2.0Lmindiameter,whichpromotetheformationofacicularferrite,thusthosecontributetotheincreasedtoughnessofdepositedmetal.DissociativeTicanimprovetheintensityandtherigidityofmicrostructure,butitdoesworsetothemicrostructuretoughnesswhentoomuchdissociativeTigetsintothemicrostructureofdepositedmetal.

Keywords: Ti;depositedmetal;inclusion;toughness