涂层残余应力的基础理论及应用

1）涂层残余应力产生原因

残余应力是热喷涂涂层本身固有的特性之一，是指产生应力的各种因素作用不复存在时，在物体内部依然存在并保持自身平衡的应力。它主要是涂层制造过程中加热和冲击能量作用的结果，以及基体与喷涂材料之间的热物理、力学性能的差异造成的，可将其分为热应力和淬火应力两种［12］。

（1）热应力。热应力是指由于温度变化（包括喷涂后的冷却等过程），引起如图1-8所示的涂层和基体的热膨胀系数的失配，从而产生的残余应力。

图1-8　涂层热残余应力产生理论示意图（ΔT＜0）［13］

对于单层涂层的热应力解可近似表示为［14-16］

式中，Ec为涂层的弹性模量；αs和αc分别为涂层和基体的热膨胀系数；ΔT为温度差值。

由式（1-1）可见，当αs＞αc时，涂层产生拉应力；当αs＜αc时，涂层产生压应力。式（1-1）是热应力理论计算的基本公式，但是其基于很多假设，因而必然存在很大误差。因此，许多学者都在此公式的基础上进行了修正。

（2）淬火应力。由于单个喷涂颗粒快速冷却到基体温度的收缩而产生的应力称为淬火应力。单个熔滴的冲击、铺展、固化及冷却过程如图1-9所示。

图1-9　单个熔滴的冲击、铺展、固化及冷却过程［13］

喷涂过程中最大淬火应力可表示为

式中，αd为沉积物的热膨胀系数，它近似等于室温下涂层材料的热膨胀系数；E0为室温下涂层材料的弹性模量；ΔT′为喷涂材料熔点（Tm）与基体温度（Ts）的差值，即

显然，热喷涂涂层中淬火应力始终是拉应力，材料性能、基体温度、涂层厚度都会影响其分布。由于固化过程会发生塑性屈服、蠕变、微开裂及界面滑移等现象，因而淬火应力（Rq）会被部分释放，Rq会远低于式（1-2）的理论值。

2）涂层残余应力影响因素

热喷涂涂层的残余应力大小主要取决于涂层材料、涂层厚度和热喷涂工艺等因素。(www.xing528.com)

（1）涂层材料的影响。通常热喷涂涂层中的残余应力为拉应力，但对于一些材料（如WC/Co），无论采用什么喷涂工艺（常规、等离子或超音速火焰喷涂），涂层中都会产生残余压应力。这主要因为在热喷涂时，经喷枪热源加热后的喷涂颗粒会发生熔化或软化，这些熔化或软化的颗粒同时得到加速，并以很高的速度撞击到基体或已形成的涂层表面上。颗粒对表面的撞击必然会给喷涂表面带来较大的作用力F，从而引起受冲击表面的局部变形。受冲击表面的局部变形对残余应力的大小和性质会产生较大的影响。从热喷涂残余应力的形成机理来看，基体的受冲击压缩应变eb与喷涂颗粒本身的热应变ep是决定涂层残余应力大小和性质的两个最主要因素。如果eb－ep≥0，则涂层中为残余拉应力，反之为压应力。由于冲击力F直接决定着eb的大小，所以其对残余应力有着非常大的影响。根据动量守恒定律Ft＝mv，冲击力F随着颗粒飞行速度的增加而减小。由于WC颗粒的熔点相对较高，因此无论采取哪种喷涂方法，喷涂颗粒撞击基体表面仍存在部分固态的WC颗粒，固态的颗粒与基体表面的碰撞为弹性碰撞。这样在喷涂WC涂层时，部分WC颗粒与基体的作用时间t会大大减小，与此同时，冲击力F和冲击应变也会相应地大幅度增加。在热应变不变的情况下，冲击应变的增加不但会改变涂层残余应力的大小，甚至还会改变残余应力的性质；而且撞击力越大，涂层的残余应力值越大。

（2）涂层厚度的影响。通常涂层内残余应力会随着涂层厚度的增加而增大，因此易导致涂层的开裂，甚至产生剥离。由于残余应力的存在，大多数热喷涂涂层都有一个最大涂层厚度的限制，这不利于涂层的广泛应用。

（3）热喷涂工艺的影响。对于同种材料热喷涂涂层，残余应力大小随着喷涂温度的增加而增大，同时随喷涂颗粒飞行速度的增大而减小。但颗粒温度对涂层的残余压应力影响不是很大，涂层的残余压应力主要取决于颗粒的飞行速度，飞行速度越大，涂层的残余压应力越大。这主要是由于喷涂的热应变与喷涂颗粒的温度成正比，而基体表面的压应变与喷涂颗粒的飞行速度成正比，而且对于动能高、温度低的热喷涂工艺方法，喷涂层的残余应力相对较低，甚至出现残余压应力。而与此相反，对于动能低且温度较高的热喷涂工艺方法，喷涂层的残余应力都很高。残余拉应力对涂层的使用性能和寿命都非常不利，而残余压应力却对涂层有利。由此可见，颗粒飞行速度是热喷涂技术的最重要参数之一，它不但影响与控制涂层的质量如结合强度、孔隙率等，还决定着涂层残余应力的特性、分布和大小。

3）涂层失效行为

在机械零部件的使用过程中，由于残余应力与外加载荷的共同作用，可能会导致涂层的提前失效。通常情况下，由于残余应力导致涂层发生的失效形式有以下几种［17］：

（1）分层剥离。在拉应力与压应力作用下都可能发生分层剥离，如图1-10a所示。

图1-10　残余应力作用下涂层的失效形式［17］

（2）表面微裂纹或桥接裂纹。图1-10b所示的表面裂纹可能会沿着垂直于表面向界面扩展。如果界面结合强度较低，将会导致涂层与基体的剥离；如果涂层与基体结合强度较高或基体塑性较好，这些裂纹将会被释放，不会对涂层产生破坏。因此，涂层的失效行为与众多因素相关，这些因素主要包括涂层内部的应力水平、涂层的结合强度和基体的塑性性能等。

（3）胀裂。涂层在压应力下的胀裂（图1-10c）也是一种主要的失效形式，但这种失效行为的发生有一个前提条件，即涂层与基体界面处存在微裂纹或局部分离。一旦涂层内部的压应力超过了临界胀裂应力，就会发生胀裂。临界胀裂应力可以表示为

式中，k为常数，约为14.7；Ec为涂层的弹性模量；νc为涂层的泊松比；t为涂层厚度；c为界面处分离区的半径。

（4）胀裂与分层相互作用。在界面发生胀裂时，由于残余压应力的作用，在边缘区域可能导致涂层与基体的分离，如图1-10d所示。但这种失效模式一般发生在涂层内部，主要原因是界面处的残余应力较低、韧性较高。通过力学分析，可以获得这种失效模式下分层裂纹的能量释放率，其大小与开裂位置有很大关系。

上述失效行为一般发生在涂层的界面边缘处，这主要是由于几何形状不连续导致的应力集中造成的。同时，界面形貌也是一个重要的影响因素。如果界面平坦，残余应力值较低，则不易造成涂层的失效；但如果界面有较高的表面粗糙度，则可能由于几何形状不连续形成较高的残余应力，涂层就可能会发生应力诱导失效。