熱障涂層熱應力影響因素的正交有限元分析

李志永 張建宇 鮑 蕊 費斌軍

(北京航空航天大學 航空科學與工程學院,北京 100191)

熱障涂層熱應力影響因素的正交有限元分析

李志永 張建宇 鮑 蕊 費斌軍

(北京航空航天大學 航空科學與工程學院,北京 100191)

利用有限元分析方法,采用 Walker粘塑性材料本構模型計算了噴涂于圓管型試件上的熱障涂層在室溫和高溫環境下的熱應力.使用試驗中常用的正交設計分析方法,分析了熱障涂層不同的結構和噴涂工藝中的 4種因素在取不同的水平條件時對熱障涂層熱應力的影響.分析結果表明:對于所考察的危險點,4種因素對熱障涂層中熱應力的產生都有顯著影響,其中以氧化層的厚度對其影響最為嚴重;4種因素隨其各自水平的變化對涂層內部應力變化的影響規律不同.

熱障涂層;熱應力;有限元分析方法

熱障涂層 TBCs是目前最先進的高溫防護涂層之一,具有良好的高溫化學穩定性、抗沖刷和隔熱性等特點,可以使高溫燃氣和工作基體金屬部件之間產生較大溫度降,從而減弱向基底的傳熱[1].用于渦輪發動機葉片上的熱障涂層可以提高葉片的工作溫度,從而提高發動機的推重比和效率,同時也可以減輕冷卻系統的負擔,實現簡化發動機結構和減輕發動機重量的目的[2].

熱障涂層系統是一種多層結構,一般包括基體、粘結層 BC、陶瓷層和涂層制備和使用過程中在粘結層和陶瓷層界面上形成的氧化層 TGO.

基體的材料一般是鎳基或鈷基高溫合金,粘結層材料是 MCrAlY(M表示 Ni或 /和 Co),陶瓷層材料一般是 6%～8%(質量分數)Y2O3部分穩定的 ZrO2(YSZ),TGO層的主要成分是.經過國內外工作者幾十年的研究表明,涂層的失效一般發生在 TGO內或是靠近 TGO的 YSZ和粘結層內[4].

在熱障涂層的有限元分析研究中,國內外的不同學者在模型的建立中采用了不同的涂層結構尺寸和不同的無應力狀態溫度[5],由于 TGO的存在和生長對涂層的失效具有重要的作用,所以在有限元分析中,涂層結構的不同主要集中在 TGO的形狀或者說是隔熱陶瓷層與粘結層的界面上,有限元分析中普遍使用的 TGO形狀是正弦(余弦)曲線形式[6],這種簡化主要是從實際的界面形狀中演化出來,既體現了界面之間的不平整,又考慮了計算與分析的簡化.通過有限元分析計算,可以獲得涂層內部的應力分布狀況,從而指導研究者對涂層的破壞失效做出合理的分析研究.

鑒于上述原因,本文采用正交設計分析方法,選取 TGO和無應力狀態溫度作為研究對象,對用于渦輪發動機葉片上的熱障涂層系統的 TGO厚度、波長、幅值和無應力狀態溫度在室溫狀態(25℃)和高溫工作狀態下陶瓷層內熱應力的影響進行了綜合分析.

1 模型的建立

1.1 幾何模型簡化與網格劃分

帶涂層的渦輪葉片在工作條件下,外部承受很高的溫度載荷,為了降低葉片承受的溫度,一般需要在葉片內部引入冷卻氣.根據涂層的這些工作特點,建立一個內徑 6mm,壁厚 2mm的圓管作為分析模型基體,涂層覆蓋在整個外表面承受溫度載荷,圓管內部通入冷卻氣體,試件結構和有限元分析模型見圖 1.根據試件的結構和所受載荷特點,在有限元分析中采用軸對稱模型進行分析,而有限元模型中把 TGO層的形態考慮成余弦函數形式,根據模型的對稱性,取余弦的半個周期進行分析,見圖 1b.

圖1 涂層試件模型

1.2 有限元本構方程與材料參數

有限元分析采用 MSC.Marc軟件進行,由于Marc軟件本身不帶有 Walker的材料粘塑性本構模型,所以需要利用軟件本身提供的 Hypela接口來導入用戶子程序.

Walker模型[7]主要采用背應力 Ω和阻應力K來描述材料的本構特性,該理論認為材料不存在特定的屈服點或屈服面,其非彈性變形將在加載的所有階段出現,相應的非彈性應變率 ε·定義如下:

其中,應力偏量 Sij的表達式為

阻應力 K的表達式為

R為累積等效非彈性應變,其變化率為

其中

式中,K1,K2,n2,n3,n6,n7,n,m和均為與溫度相關的常數,反映的是材料硬化與恢復特性,具體數值通過試驗方法獲得[6].

在本次分析中基體材料為 K423A,厚度為2mm;粘結層材料為 NiCrAlY,厚度為 0.1mm;TGO材料為 Al2O3;陶瓷層材料為 8%(質量分數)Y2O3穩定的 ZrO2,噴涂工藝是等離子噴涂.由于陶瓷層在高溫下表現出粘塑性的性質[6],所以利用軟件 MSC.Marc提供的接口進行二次開發[7],編寫陶瓷層的 Walker粘塑性本構,其余各層材料參數見文獻[8].

1.3 有限元模型的邊界條件

根據發動機葉片的工作環境和基體材料的承載溫度,規定模型的邊界條件和結構尺寸如下:

1)模型外部環境溫度為 1050℃,內壁的溫度為 950℃;

2)根據國內外學者對 TBCs的有限元分析中所采用的氧化層的厚度、波長、幅值和涂層的無應力狀態溫度的不同數值,本次研究使用正交表對有限元分析進行計算設計,確定的 4種因素的取值見表 1,采用的正交表[9]為 L25(56).

3)由于分析模型取自試件的中部位置,故圖1中模型的左邊界取為軸向固定位移約束,右邊界采用 link約束.

表 1 4種因素取值

2 有限元分析結果

2.1 室溫下陶瓷層內部的 Mises應力分布

有研究[10]表明,等離子噴涂的熱障涂層裂紋一般起始于氧化層與陶瓷層的界面附近的陶瓷層內,故本次研究主要分析陶瓷層內應力.本次分析結果表明,在所研究的范圍內,涂層內的應力分布規律相同,圖 2給出了其中一種情況下陶瓷層內應力分布情況,可以看出,最大應力出現在 TGO與陶瓷層的界面附近,故本次研究中對于不同的考察因素下的計算結果,統一取距離氧化層和陶瓷層界面 1μm處的最大等效 Mises應力作為衡量指標.

圖2 陶瓷層內等效Mises應力云圖

2.2 有限元的計算結果

利用正交表給出的 4種因素不同取值的計算方案,計算獲得所研究部位的每種分析因子下相同水平序號的最大等效 Mises應力和相對于所研究的 4種因素取值的變化曲線如圖 3所示,其中各因素的水平序號與取值的對應關系如表 1所示.

圖3 因子水平與指標間變化曲線

從圖 3中可以看出,無論是在室溫狀態還是高溫狀態下,對于氧化層厚度因素,所考察部位的Mises應力在其前 3個水平之間變化得非常明顯,隨著氧化層厚度水平不斷升高(厚度不斷增加),Mises應力隨之急速地下降,但當第 3個水平(氧化層厚度為 6μm)之后,隨著氧化層厚度的增加,Mises應力變化變得比較平緩,并且有上升的趨勢.無應力溫度的升高會使室溫狀態下 Mises應力逐漸增大,而使高溫狀態下 Mises應力逐漸降低,而且應力升高與降低的趨勢大約成線性變化,那么如果只考慮無應力狀態溫度來避免涂層內出現較大的應力,則需要找到兩條曲線的交點,使無論在室溫還是高溫狀態下,涂層內 Mises應力都相對較低.氧化層幅值的變化對高溫狀態下 Mises應力影響不明顯,而室溫狀態下隨著氧化層幅值的增大陶瓷層內的應力會增加,考慮這種情況,要求在涂層的制備中盡量減小粘結層與陶瓷層之間界面的粗糙度,以降低涂層在室溫下的 Mises應力.氧化層波長的增加對室溫狀態下的應力影響不太明顯,當涂層加熱到高溫時,氧化層波長越長則陶瓷層內的應力越低,這就希望在涂層的制備過程中如果在具有相同氧化層波峰的情況下,盡量減少粘結層與陶瓷層界面之間的波峰數量.

3 結 論

通過使用正交設計方法對熱障涂層陶瓷層內危險部位的有限元分析,獲得了所研究的 4種因素對 Mises影響規律,可得如下結論:

1)氧化層厚度、氧化層波峰、氧化層波長和無應力狀態溫度對陶瓷層內部應力的產生都有顯著影響,尤其以氧化層厚度最為顯著.

2)隨著氧化層厚度逐漸增加,陶瓷層內部的應力會先快速降低,后逐漸緩慢升高.

3)無應力狀態溫度越高,陶瓷層內部應力在室溫狀態下越高,高溫狀態下越低.

4)氧化層幅值的增加會增大陶瓷層內的應力,而氧化層幅值的變化對高溫狀態下的陶瓷層內部應力影響不顯著.

5)氧化層不同波長的變化對室溫狀態下陶瓷層內應力影響不顯著,而在高溫狀態下隨氧化層波長的增加陶瓷層內的應力隨之減小.

References)

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(編 輯 :李 晶)

Finite element analysis of factors to thermal stress in thermal barrier coatings with orthogonal method

Li Zhiyong Zhang Jianyu Bao Rui FeiBinjun

(School of Aeronautic Science and Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China)

The thermal stresses in room and elevated temperatures were studied in thermal barrier coatings(TBCs)which was coated at the outer surface of pipe specimens,using finite element method(FEM),and the Walker viscoplastic the orywas adopted to depicting the stress-strain constitution in the ceramic layer.During the design of FEM analysis computation,the orthogonal design method widely used in experiment study,was used,and the contributions of four factors to the being of thermal stress were achieved.The results show that the four factors have the remarkable effect to thermal stress in TBCs,and the factor of thermally grown oxide is the most important,the stress changing rules of four factors are different in TBCs with the ascending of levels.

thermal barrier coatings(TBCs);thermal stess;finite element method(FEM)

V 214.4

A

1001-5965(2010)11-1339-04

2009-09-28

李志永(1979-),男,河北唐山人,博士生,canyonli@163.com.