钛基表面等离子渗氮涂层应力仿真与实验研究

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1、武汉理工大学硕十学位论文摘要金属双极板己成为降低质子交换膜燃料电池(PEMFC)生产成本的主要研究热点，而提高金属双极板的耐腐蚀性贝lJ是研究的关键问题。TiN涂层具有优异的抗氧化性能、强的抗腐蚀性、良好的导电性等特点。利用等离子渗氮方法在钛基表面获得了TiN涂层，但涂层与金属基体之间由于热膨胀系数不匹配，存在一定的残余应力。残余应力过大，会导致基体和涂层结合强度下降，甚至涂层从基体脱落。本文利用有限元方法对残余应力进行了模拟研究。通过有限元法仿真对应力研究表明，TiN涂层一侧主要受压应力，而在

2、Ti基体内部主要受拉应力。随着基体厚度的增加，涂层径向应力逐渐增加，剪应力减少后略有上升。随涂层厚度增加，涂层径向应力逐渐减少，mises应力逐渐增加，剪切应力先增加随后又趋于平稳；对于不同厚度的涂层考虑各应力的影响和基体成本，Ti基体为0．6mm较合适。考虑钛基体为弹塑性时，在涂层和基体界面处有塑性屈服的现象发生，塑性变形的最大处正是在界面应力奇异点附近，对应力具有缓和作用。在基体和TiN涂层间引入过渡层Ti2N后，TiN陶瓷涂层应力状态保持压应力不变。随着过渡层厚度增加，TiN陶瓷涂层中压应

3、力逐渐减少，剪应力和mises应力则随着过渡层厚度增加而逐渐增大，但增加缓慢，这有利于避免TiN涂层翘曲。此外，还考虑了等离子渗氮温度对热应力的影响。模拟研究表明，温度越高，涂层和基体径向应力、材料轴向应力和剪应力都随温度增加而逐渐增大，容易引起涂层的破坏，降低使用性能。因此在保证等离子渗氮涂层厚度、均匀性前提下，应尽量降低等离子渗氮温度。关键词：等离子渗氮，残余热应力，有限元模拟，TiN涂层，Ti2N过渡层武汉理工大学硕士学位论文Abstract111emetalbipolarplatehas

4、becomeoneofthemainresearchhotspotofprotonexchangemembranefuelcells(PEMFC)withreductionofproductioncost．Butthekeyproblemoftheresearchistoimprovethecorrosionresistanceofmetalbipolarplate．TINcoatinghassomemerits，suchasoxidationresistance，strongcorrosion

5、resistanceandelectricalconductivity．TiNcoatingsweresynthesizedonthesurfaceofTisubstratebipolarplatesbyplasmanitriding．However,thethermalresidualstressesgeneratedduetothemismatchofthermalexpansioncofficientbetweensubstrateandcoating．Residualstresswast

6、oolarge，whichwouldresultindecreasingbondstrengthofsubstrateandcoating，andevendroppingthecoatingfromthesubstrate．thethermalresidualstresseswereinvestigatedusingthefiniteelementmethodinthispaper．Thefiniteelementmethodsimulationofthestressstudyshowedtha

7、tthehightensilestressoccuredinthesubstrateandthehighcompressivestressoccuredinthecoating．neradialstressincoatinglayerincreasedwhiletheshearstressfirstdecreasedthentendtoincreasedslightlywithincreaseofsubstratethickness．Theradialstressincoatinglayerde

8、creasedandmisesstressincreasedgradually,whiletheshearstressfirstincreasedthentendtobesteadywithincreaseofcoatingthickness．Takenintoaccounttheinfluenceofstressonsubstrateandcoatingandthesubstratecost，Tisubstratethicknesswasmoresuitableforthe0．6mm．Inco