基体表层改性对涂层裂纹组态的影响规律及机理研究

以剥落为主的涂层失效问题，一直是制约涂层在高温环境下应用的核心难题。发展延缓涂层剥落的延寿方法具有重要的应用价值。涂层的热致剥落驱动力不仅依赖于涂层与基体材料在物理、力学性能方面的本征失配，也与涂层的裂纹组态密切相关。本项目拟基于"群体裂纹增韧"的思路，采用激光改性技术预先对基体表层进行离散处理，探索在涂层中形成"分割"裂纹组态的规律及机理。以电沉积铬涂层/钢基体为具体研究对象，通过改变激光离散处理工艺参数，系统研究"分割"裂纹组态形成的主控参数。考虑激光离散处理对涂层/基体体系的性能及应力-应变场的影响，建立合适的理论预测模型，揭示"分割"裂纹组态形成的物理机制，进而提出优化控制"分割"裂纹密度的措施。采用相似理论和量纲分析方法，建立各类无量纲参数之间的普遍规律。本项目的研究结果将为电沉积铬涂层的强韧化设计及相关工艺方法推广应用于其它类似涂层提供理论依据与技术支持。

以剥落为主的失效问题，一直是制约涂层在高温环境下应用的关键性难题。涂层的热致剥落驱动力不仅依赖涂层与基体材料在物理、力学性能方面的本征失配，也与涂层的裂纹组态密切相关。本项目基于"群体裂纹增韧"的思路，采用激光改性技术预先对基体表层进行离散处理，研究了涂层中"分割"裂纹组态形成的规律及机理。通过对基体激光离散改性形成“分割涂层”的试验研究、理论建模和数值计算，系统总结了“分割”裂纹密度的影响因素及其影响规律，得到了"分割"裂纹组态形成的主控参数。..考虑基体表层离散淬火区对涂层/基体体系应力分布的影响，建立了涂层“分割裂纹”的萌生、扩展驱动力的理论模型及计算方法，揭示了基体激光离散改性形成“分割涂层”的物理机制。将基体激光淬火区近似视为呈周期分布的离散夹杂，采用Eshelby本征应变(eigenstrain)方法表征由于相变产生的体积应变，建立了离散淬火基体/涂层体系的应力、应变场理论模型。采用有限元方法得到了涂层/基体体系的应力、应变场。提出了计算涂层-基体系统里“分割”裂纹扩展驱动力的权函数模型，并在此基础上，采用权函数方法确定了“分割裂纹”应力强度因子的影响因素及影响规律。采用相似理论和量纲分析理论建立各类无量纲参数之间的标度律。本项目的理论研究与试验结果吻合良好，将为相关涂层的延寿设计提供理论依据与技术支持。