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热喷涂WC-Ni硬质合金涂层抗重载冲击行为研究

热喷涂；硬质合金涂层；重载冲击；有限元模拟

核电、航空、航天等领域机械装备硬质合金零件除了满足耐磨性能需求，往往还要求一定抗冲击性能，保证在摩擦磨损、冲击等复杂工况下零件运行的可靠性。由于硬质合金零件脆性较大，在1 kN以上重载工况下存在抗冲击性能不足的问题，本研究考虑硬质合金耐磨、不锈钢抗冲击的性能优势，提出了在不锈钢基体上制备硬质合金涂层的覆层零件替代硬质合金体材料零件的思路，开展了热喷涂WC-Ni硬质合金涂层的抗重载冲击行为研究。并且，目前热喷涂涂层抗冲击研究大多处于较低载荷区间，探明其抗重载冲击行为可为此类工况涂层零件的设计与制造提供实验及理论依据。对不同厚度WC-Ni涂层进行了载荷1-15 kN、重复频率可达20 Hz的重载冲击实验，并与WC-Ni体材料的冲击损伤现象及规律进行对比分析，解释了硬质合金涂层改善抗重载冲击性能的机制。实验结果表明，WC-Ni涂层表面开始出现未裂纹对应的最大冲击载荷阈值为体材料的3倍，约11 kN，展现出显著优于硬质合金体材料的抗冲击性能。与已报道的硬质合金涂层的小载荷冲击实验相比，在重载冲击作用下，涂层展现出表面延伸裂纹、涂层内部裂纹、界面延伸裂纹和界面扩展裂纹等多种损伤破坏现象。数值模拟结果表明，涂层内部开裂或内聚失效主要与拉应力分布有关，界面开裂或附着失效主要与切应力有关。涂层与基体协同变形对涂层抗冲击性能起到改善的作用，而当涂层与基体协同变形不足时，涂层主要损伤行为呈现由附着失效转变内聚失效的变化趋势。上述涂层失效机制的澄清，为抗重载冲击硬质合金涂层制备提供了硬度、厚度等方面的优化依据。