界面形貌對(duì)熱障涂層殘余應(yīng)力影響的研究

摘 要：以等離子噴涂熱障涂層為研究對(duì)象（陶瓷層為ZrO2，結(jié)合層為NiCrAlY），建立熱障涂層的模擬結(jié)構(gòu)，利用ABAQUSE對(duì)所建立的模型進(jìn)行殘余應(yīng)力的分析，得出陶瓷層和結(jié)合層四種二維界面形貌對(duì)熱障涂層的殘余應(yīng)力（垂直于界面方向的拉應(yīng)力）的分布的影響。結(jié)果表明：宏觀上，界面形貌為平面的涂層的殘余應(yīng)力要小于界面形貌為曲面的涂層；微觀上，界面形貌為幅值相同的正弦波的殘余應(yīng)力會(huì)隨著波長(zhǎng)的減少而增加；微觀上，界面形貌為波長(zhǎng)相同的矩形波的殘余應(yīng)力的會(huì)隨著高度的增加而增加，但是根據(jù)研究結(jié)果表明這種增長(zhǎng)程度并不明顯，也就是說對(duì)應(yīng)力的分布影響不顯著。

關(guān)鍵詞：ABAQUS；熱障涂層；殘余應(yīng)力；界面形貌

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.16.174

0 前言

熱障涂層（TBS）—在空氣冷卻的高武合金葉片基體也高溫燃?xì)庵g提供一層隔熱和抗氧化的屏障。可大大降低高溫部件的表面溫度，使現(xiàn)代航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)在高于金屬合金熔點(diǎn)溫度的燃?xì)庵泄ぷ鞒蔀榭赡埽瑥亩岣甙l(fā)動(dòng)機(jī)的效率和性能，使得使用壽命的到很大提高。

隨著現(xiàn)代材料科學(xué)的進(jìn)步和航空航天技術(shù)的高科技的迅猛發(fā)展，如今熱障涂層的種類非常多，且共同的作用是保護(hù)在高溫工作的工程材料不受腐蝕、氧化、磨損和為這些工程材料提供潤(rùn)滑和絕熱的防護(hù)[1]。

1 熱障涂層結(jié)構(gòu)與失效機(jī)理

1.1 涂層的基本結(jié)構(gòu)

陶瓷層熱障涂層是把陶瓷材料沉積在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的表面，從而提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的耐高溫和抗腐蝕性能延長(zhǎng)了使用的壽命并提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。涂層主要有隔熱陶瓷層、結(jié)合層和基體三部分組成[2]。

1.2 熱障涂層失效機(jī)理

熱障涂層失效剝落是熱障涂層在實(shí)際工程領(lǐng)域應(yīng)用的巨大障礙[3]。熱障涂層剝落的主要原因是涂層制備過程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和熱循環(huán)過程中應(yīng)力的產(chǎn)生。這一應(yīng)力包括四個(gè)方面：金屬結(jié)合層氧化物的熱生長(zhǎng)應(yīng)力、相變應(yīng)力、溫度梯度分布引起的而盈利、熱膨脹不匹配硬啟動(dòng)熱應(yīng)力。

2 分析模型的建立

2.1 模型描述

建立的模型為陶瓷層與結(jié)合層的結(jié)合體。其中陶瓷層的厚度為250um，結(jié)合層的厚度為200um。

第一、建立研究宏觀形貌為平面和曲面的模型，分析宏觀形貌對(duì)熱障涂層殘余應(yīng)力的影響，故建立一個(gè)界面形貌為平面的模型。

第二、建立研究微觀形貌為正弦波的模型，分析微觀形貌（此處指曲率）對(duì)熱障涂層殘余應(yīng)力的影響，故建立三個(gè)幅值（幅值為30um）相同但波長(zhǎng)不同的是個(gè)模型。三個(gè)模型波長(zhǎng)分別為200 um、400 um。

2.2 載荷加載

初始條件為涂層的溫度為293K（即室溫25℃），假設(shè)此狀態(tài)下涂層的應(yīng)力狀態(tài)為零狀態(tài)。對(duì)邊界條件設(shè)定，對(duì)模型的底邊的所有自由度進(jìn)行限制，保證模型的底邊在載荷加載時(shí)不能移動(dòng)。對(duì)溫度場(chǎng)的加載如下圖。

2.3 模型建立

為了能在ABAQUS的軟件下研究本課題，我們必須在ABAQUS的軟件下建立我們研究的模型。我們可以按照以下的步驟建立模型：

通過以上步驟，我們可以建立以下的兩種模型，如圖1至圖2所示。

3 軟件仿真結(jié)果分析

3.1 平面界貌與曲面界貌的研究

提交分析任務(wù)后可以得出正弦波的彩色云紋圖。形貌為平面時(shí)，在降溫的過程中其垂直于界面的拉應(yīng)力較小且沿界面沒有突變。界面形貌為曲面時(shí)，在降溫的過程中其垂直于界面的拉應(yīng)力較大且沿界面有突變。故平面比曲面好。

3.2 曲率影響的研究（幅值為定值）

提交分析任務(wù)后可以得出正弦波的彩色云紋圖，通過對(duì)比后，我們可以得出這樣的結(jié)論：界面形貌為幅值相同但波長(zhǎng)不同的正弦波時(shí)。我們可以發(fā)現(xiàn)在波長(zhǎng)為200um模型的云紋圖的色彩分布很集中，且應(yīng)力明顯大于所得應(yīng)力值。

由此我們可以得出以下的結(jié)論：界面形貌為幅值相同波長(zhǎng)不同的正弦波， 得出在幅值相同的情況下， 陶瓷層中垂直于界面的拉應(yīng)力的最大值隨著波長(zhǎng)的增大而減小，是波長(zhǎng)的縮短（幅值不變）都使形貌的曲率增加， 因此得出陶瓷層中垂直于界面的的拉應(yīng)力的最大值隨著曲率的增加而增加。

4 總結(jié)

界面形貌為平面時(shí)，在降溫的過程中其垂直于界面的拉應(yīng)力較小且沿界面沒有突變。界面形貌為曲面時(shí)，在降溫的過程中其垂直于界面的拉應(yīng)力較大且沿界面有突變。故平面比曲面好。

界面形貌為幅值相同波長(zhǎng)不同的正弦波， 得出在幅值相同的情況下， 陶瓷層中垂直于界面的拉應(yīng)力的最大值隨著波長(zhǎng)的增大而減小，是波長(zhǎng)的縮短（幅值不變）都使形貌的曲率增加， 因此得出陶瓷層中垂直于界面的的拉應(yīng)力的最大值隨著曲率的增加而增加。

涂層的界面形貌為幅值相同波長(zhǎng)不同的正弦波相比較涂層界面形貌為高度不同的矩形波，涂層的殘余應(yīng)力的分布更加的均勻，沒有出現(xiàn)較大的波動(dòng)。這使得涂層在服役過程中應(yīng)力集中的現(xiàn)象不會(huì)很明顯，可以使涂層的工作壽命的到很大的提高。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡傳順，王福會(huì)，吳維.熱障涂層研究進(jìn)展[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2000（05），第12卷第3期.

[2]徐惠彬，宮聲凱，劉福順等.航空制造工程[M]，1995.11.23

[3]于海濤等.熱障涂層研究現(xiàn)狀及其制備技術(shù)[J].稀土，2010.

作者簡(jiǎn)介：程瑞鵬（1990-），男，陜西咸陽人，助教，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)與制造、高等職業(yè)教育。