钛合金TC4表面医用氧化物陶瓷涂层的残余热应力分析

采用有限元方法分析了钛合金TC4表面分别溅射沉积的4种医用陶瓷涂层Ta2O5、Nb2O5、ZrO2和TiO2的残余热应力分布情况,并以Ta2O5涂层为例,研究涂层的厚度与结构对残余热应力最大值的影响.结果表明,4种氧化物涂层的残余热应力都表现为拉应力,且应力最大值均位于涂层/基体结合界面的外边缘,其中残余热应力最大值最大的是Ta2O5涂层(32.2 MPa),其次是Nb2O5(19.7 MPa)和ZrO2涂层(10.2 MPa),最小是TiO2涂层(1.03 MPa).当涂层厚度由1μm增加到4μm时,Ta2O5涂层的残余热应力最大值呈现先减小后增大的变化趋势,其中涂层厚度为2.5μm时的残余应力最大值最小.对于不同结构的Ta2O5涂层来说,在表面层厚度或涂层总厚度相同的情况下,残余热应力最大值由小到大的涂层结构依次为梯度涂层、复合涂层、单层涂层.