基于熱-結構耦合等離子噴涂熱障涂層循環應力分布*

陳宇慧 ，陳丹陽 ，鐘舜聰 ，楊天雪 ，楊曉翔 ，涂善東 ，軒福貞

（1.福州大學 化學化工學院，福建 福州 350108； 2.漳州職業技術學院，福建 漳州 363000；3.福州大學 機械工程及自動化學院，福建 福州 350108；4.華東理工大學 承壓系統安全科學教育部門重點實驗室，上海 200237；5.福建省特種設備監督檢驗院，福建 福州 350001）

0 引 言

等離子噴涂熱障涂層（TBCs）作為一種新型防護技術，在高溫環境中對于保護設備部件、延長部件壽命具有顯著的作用。通過采用熱障涂層技術，可以在保持原有設計的基礎上，減少用作葉片冷卻的空氣量，提高發動機推力［1］。熱障涂層主要通過低熱傳導這一屬性產生隔熱性效果，降低基體溫度，使基體材料在高溫下運行，發動機熱效率提高60%以上。目前，該技術主要應用于工業燃氣輪機高溫部件以及航空航天領域，已成為發展高推質比航空發動機的一項關鍵技術。

TBCs系統主要分為4層［2］:基體（Sub）、粘結層（BC）、氧化層（TGO）、熱障涂層（TBC）。4層材料的物理、熱和機械屬性都有明顯的差異，增加了研究這個多層材料系統的難度。其中，TGO層的主要成分是Al2O3，它是由于在操作溫度下BC層的鋁元素與陶瓷層中擴散的氧元素反應生成氧化鋁，通常厚度為1 μm～10 μm。TGO層的生長是涂層剝落失效的重要原因。噴涂過程中產生的殘余應力，界面的復雜形狀，陶瓷燒結，氧化層增長，蠕變和塑性變形產生的應力再分布等原因也是TBC損壞的主要原因。

涂層間的殘余應力主要是在噴涂過程中由于相變、驟冷、熱膨脹系數不匹配、BC層沉積之前噴砂處理引起的。在高溫工作環境下頂層陶瓷材料會發生燒結，導致材料的體積、性能發生改變，易引起平面壓應力，在涂層系統中產生垂直于界面的裂紋。

目前，國內外許多學者已開展了對熱障涂層失效機理的研究。M.Ranjbar-Far等人［3］模擬了氧化層與粘結層之間不同界面粗糙度對涂層殘余應力分布的影響，以及氧化層不同厚度對其影響。M.B?ker［4］研究了蠕變在涂層應力再分布中的作用。Evans等人［5］總結并詳細闡述了熱障涂層的制備、微結構、破壞機制和若干典型的破壞形式。Gilbert［6］對熱障涂層系統在熱沖擊下涂層的破壞情況進行了數值研究。張顯程，涂善東等人［7］針對理想平面界面涂層，通過對不同涂層材料和尺寸分別進行計算，分析比較了對殘余應力的影響，對實際噴涂工藝有一定指導意義。李志永［8］利用MSC.Marc研究了不同換熱系數對熱機耦合作用下熱障涂層性能的影響，結果表明，隨著內壁換熱系數的增加模型中的溫度隨之降低，內外壁溫差以非線性形式增加，并且涂層中3個主應力隨著內壁換熱系數的增加而增加。周益春等人［9］對熱障涂層的破壞機理和壽命預測做了詳細闡述，但其忽略了對流傳熱對模型溫度分布的影響。

不同于前人的研究工作，本研究在熱計算過程中考慮了以下幾點內容:

（1）溫度分布方式。其中由系統上下表面通過與周圍熱環境進行對流傳熱，施加熱載荷；同時各層間通過熱傳導進行溫度傳遞，導致涂層系統內的溫度非線性分布，并且結構計算時每層材料物理屬性隨溫度線性變化，這些因素的共同作用使涂層內應力呈高度非線性分布；涂層上表面與環境的對流傳熱更符合渦輪機一級靜葉片的實際工作情況。

（2）當材料長時間處于高溫狀態時，會發生蠕變同時伴隨應力松弛；選用Norton蠕變模型，當溫度高于600℃時，開啟蠕變計算。

（3）采用有限元瞬態計算，連續模擬“升溫-恒溫-降溫”過程，能夠更好地觀察應力隨時間變化的規律。

1 數值模擬方法

1.1 幾何模型和材料

熱障涂層系統是由合金基體、NiCoCrAlY粘結層、氧化層、等離子噴涂氧化釔含部分穩定氧化鋯（ZrO2-8 wt%Y2O3）的頂層組成。各層厚度分別為1 mm、0.1 mm、1 μm和0.25 mm。由于制造工藝原因，TBC/BC界面是粗糙的，呈凹凸的形狀分布，在數值分析時把界面簡化成理想的正弦波，為了降低計算時間，截取其中一段進行計算，左側采用對稱約束，右側采用多點耦合控制約束［10］。

模型如圖1所示，模擬氧化層界面采用波幅A=0.005 mm，周期T=0.02 mm的正弦波，由于模型周期對稱，選取半個周期正弦進行模擬。采用間接熱-結構耦合模擬計算，熱計算時選用2維4節點平面應變單元Plane55，結構分析采用Plane182平面應變單元。不同溫度下各層材料屬性參照文獻［5］中數據。

圖1 微觀空氣等離子噴涂系統

1.2 載荷和邊界條件

1.2.1 熱載荷

涂層采用空氣對流溫度加載，表面對流換熱系數的數值與換熱過程中流體的物理性質、換熱表面的形狀、部位、表面與流體之間的溫差以及流體的流速等都有密切關系。物體表面附近流體的流速愈大，其表面對流換熱系數也愈大。部件服役時由于轉動速度較高（例如渦輪機葉片），相對空氣流速大幅提高，涂層表面對流系數可達到8 000 W（/m2·K）。本研究采用二維模型模擬汽輪機葉片橫截面，對流換熱，第1階段在熱障涂層外表面先以對流方式施加熱載荷經過300 s達到1 300℃；第2階段恒溫2 h；第三階段再300 s內從1 300℃降溫到室溫25℃，冷卻通道內表面300 s內升高到400℃。恒溫2 h，最后同樣冷卻到室溫。涂層上表面換熱系數選為8 000 W（/m2·K），基體內表面為600 W（/m2·K）～5 000 W（/m2·K）之間變化［11］。本研究內表面選用2 000 W（/m2·K）。得到結果涂層上表面溫度達到1 177℃，內表面892℃，上下表面溫差達到285℃，TBCs系統沿徑向溫度分布如圖2所示。從圖2中可明顯觀察到熱障涂層的隔熱效果。

圖2 TBCs系統沿徑向溫度分布

1.2.2 結構載荷

本研究對截取模型左端進行對稱約束；右端施加周期性邊界條件，采用多點耦合約束，確保其左側和右側在變形時保持一致。

左側的對稱約束使得在發生應變變化時，保持在一個直線上運動，右側用多點耦合，是確保在發生位移的時候各層的變化是一致的，也是在一條直線上，這樣確保左側和右側的位移是一致的，從而確保邊界位移的連續性。

1.3 熱循環過程中蠕變-Norton模型

熱循環過程中蠕變的模擬選用Norton模型進行計算，材料參數如表1所示。

表1 各層蠕變參數

式中:ε˙—穩態蠕變應變速率；B—材料蠕變系數；σ—等效應力；n—材料蠕變指數；εe，εc—彈性應變和蠕變應變；ε0—初始應變量。

2 結果與討論

2.1 提取S22應力作為判斷依據

一般地，正常的應力分量S11、S22更容易導致I型斷裂，而S12更容易引起斷裂模式II的發生，本研究工作不分析S12對TBCs的影響。另一方面，導致TBC分層的裂紋是由于界面和薄層間的S22這個分量的影響，而垂直的裂紋是由于S11這個分量產生的。本研究將對在層內裂紋及TGO/BC界面存在的橫向裂紋擴展的模型進行模擬。由于這些原因，S22被認為是與目前數值模擬研究工作相關的應力分量。

通常認為，陶瓷層斷裂與否主要取決于陶瓷層中最大拉伸主應力是否超過其抗拉強度［12］。本研究考慮了正弦形式的氧化層界面，應力情況較復雜，但從結果上來看，其剪切應力與正應力比較影響較小，本研究不對主應力大小及方向進行研究，而對TBC中的S22應力分量進行研究。

2.2 蠕變影響

在升溫和恒溫過程結束后，如果不考慮蠕變，TGO層應力值范圍為-343 MPa～1 380 MPa。當加入蠕變分析時，TGO層應力有所下降，應力范圍為-62.6 MPa～26.6 MPa；BC層應力范圍為-3.2 MPa～5.7 MPa，應力水平明顯下降。

氧化層應力分布圖如圖3所示。

圖3 恒溫過程TGO層應力分布圖

2.3 完整熱循環后氧化層和粘結層應力分析

在升溫、恒溫和降溫過程結束后氧化層和粘結層應力分布如圖4所示。圖4中，最大應力出現在粘結層波峰處，同樣氧化層最大應力也出現在波峰處。一個熱循環耗時7 800 s，由于高溫恒溫過程蠕變應力松弛導致應力大幅降低。

圖4 一個完整熱循環后各層應力分布圖

2.4 不同氧化層厚度對最大應力的影響

熱障涂層在服役時，氧化層會隨時間增厚，但增厚到一定程度時這種行為會停止，這是由于致密的氧化層阻止了粘結層的鋁離子和外界的氧離子的擴散。但隨著氧化層的增厚會引起體積的增大以及各層應力的重新分布。研究結果表明，當氧化層的層厚增大的一定厚度時，會引發涂層的屈服與斷裂，因此控制氧化層的厚度對保護熱障涂層，提高熱障涂層使用壽命起著重要的作用。由模擬數據可以觀察出當TGO厚度小于3 μm時，各層應力波動較大。當厚度大于3 μm時，TGO和BC層應力小幅增長，而在TBC和Sub層應力變化不明顯，各層最大應力隨氧化厚度變化關系如圖5所示。

2.5 完整熱循環與單獨降溫過程結果比對

完整熱循環過程包括:加熱、恒溫、降溫過程。在恒溫階段時，蠕變可以使應力松弛，這是由于在加熱的結束階段TGO層的增長而產生一個類應力自由狀態。與單獨降溫過程相比，最大拉應力相近。

圖5 各層最大應力隨氧化厚度變化關系

表2 完整熱循環與單獨降溫過程模擬應力

如表2所示，TGO層完整熱循環時最大拉應力為229 MPa，最大壓應力為-1 070 MPa；而單獨降溫過程時，最大拉應力為361 MPa，壓應力為-1 160 MPa。BC層內兩種情況最大應力分別為341 MPa，414 MPa，而兩層內壓應力較為相近分別為-264 MPa和-303 MPa。本研究的結果與Rosler等人［13］研究相吻合，表明失效通常發生在降溫階段，此時蠕變影響較小。因此，對熱障涂層應力研究可以假設在高溫結束時系統處于應力自由狀態，主要關注冷卻降溫階段。

3 結束語

通過對等離子噴涂制備的熱障涂層系統建模，本研究將其界面形狀簡化成正弦波，能夠更好地模擬涂層系統的界面粗糙度，觀察凹和凸區域的應力變化。本研究采用熱-結構耦合計算，通過對流和熱傳導方式進行溫度傳遞，計算結果更貼合實際情況；完善了熱障涂層模擬過程中模型形態與傳熱方式，為涂層斷裂分析提供了一種前期建模方案。

研究過程中發現，恒溫過程中蠕變應力松弛，應力大幅減小，致使應力的產生主要集中在降溫過程；一個熱循環結束后，TGO層和BC層應力較大，最大應力出現在BC層波峰區域，可以達到341 MPa；隨著氧化層增厚，氧化層和粘結層應力都隨之增加，最大應力出現在TGO層內達到656 MPa，粘結層達到486 MPa；膜/基結合力大幅下降，易引發裂紋萌生與擴展。

在今后的研究中，筆者將重點研究由于溫度、氧化、蠕變等因素，在耦合條件下產生殘余應力對裂紋的萌生與擴展過程的影響，以達到更好的預測效果，為實際生產過程中缺陷檢測提供依據。

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