瓷层厚度及降温速率对钛-瓷界面残余应力影响的研究

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目的:  通过在钛-瓷三维有限元模型上进行瓷层厚度调整及加载不同的降温速率,分析钛-瓷结合界面残余应力的大小及其分布规律,观察钛-瓷构件瓷层厚度及烧结过程中降温速率对残余应力的影响。  方法:  使用Soildworks及ABAQUS软件建立钛-瓷标准构件模型并进行温度加载,分析不同瓷层厚度(1.0、1.4、1.8、2.2mm)及不同降温速率(25、50、100、150℃/min)下钛-瓷结合界面残余应力的大小及分布规律。  结果:  1.应用Soildworks及ABAQUS软件建立了钛-瓷标准构件的三维有限元模型。该模型网格划分均匀细致,能较好地模拟真实系统,且可方便调整各组件的几何外形及状态属性,能满足实验中不同温度加载及调整瓷层厚度的要求。  2.施加温度载荷后,钛-瓷模型中各节点的应力值大小随着加载时间增加而增大,至降温结束时到达最大值。对于钛-瓷模型整体而言,施加温度载荷后,应力均集中在钛-瓷结合界面。  3.相同降温速率下瓷层厚度为1.0、1.4、1.8、2.2mm的钛-瓷模型的整体应力分布规律大体相同,但瓷层中份的应力集中区的边长随着瓷层厚度的增加而增大(由0.4mm增加至0.8mm),该应力集中区的面积也随之增加。在钛-瓷结合面的应力分布规律基本一致。  4.相同降温速率下瓷层厚度为1.0、1.4、1.8、2.2mm的钛-瓷模型截面各标记点应力的大小随瓷层厚度的增加而增大,应力均值从1.0mm厚度模型的7.044MPa增加到2.2mm厚度模型的7.256MPa,增幅为3.02%。  5.降温速率为25、50、100、150℃/min下相同瓷层厚度的钛-瓷模型整体应力分布及截面的应力分布规律基本一致。  6.降温速率为25、50、100、150℃/min下相同瓷层厚度的钛-瓷模型截面各标记点应力大小与降温速率未形成明显的线性关系,但应力均值随着降温速度的增加而略有增大,其从降温速率为25℃/min模型的7.044 MPa增加到降温速率为150℃/min模型的7.047MPa,增幅为0.02%。  7.降温速率为25℃/min的模型与降温速率为50℃/min的模型截面应力均值相近,前者仅比后者大0.004%。  结论:  1.对模型整体而言,残余应力主要集中在钛-瓷结合界面,其次为瓷层中份。钛-瓷界面内部,应力集中在表面边缘处。  2.在一定范围内,瓷层厚度的增加会增大钛-瓷结合界面的残余应力。  3.适当的降温速率可以降低钛-瓷结合界面的残余应力。
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