基于熱障涂層實際形貌的有限元建模及破壞機理分析.pdf

1、熱障涂層是涂覆在高溫超級合金基體上的一種特殊防護結(jié)構(gòu)，通常由粘著層（BC）、熱生長氧化物層（TGO）和隔熱涂層（TBC）三種微結(jié)構(gòu)各異的物質(zhì)構(gòu)成，其厚度一般在微米或亞微米量級。熱障涂層被廣泛用于各種高溫發(fā)動機熱端部件的防護中，以降低基體的表面溫度，抵抗熱流對基體的腐蝕作用和高速沖刷損傷。
　　 熱障涂層系統(tǒng)的服役環(huán)境非常惡劣，不僅承受來自外部的熱-力循環(huán)載荷作用，其內(nèi)部還存在較高的溫度梯度。由于熱生長層在高溫下的不斷生長，其界面

2、形貌通常不規(guī)則。由于構(gòu)成熱障涂層系統(tǒng)的各層物質(zhì)熱物性差異，使得熱障涂層系統(tǒng)在熱循環(huán)載荷下存在較大的殘余應力和殘余變形，由此可能觸發(fā)涂層系統(tǒng)中微裂紋的形成和擴展，導致涂層系統(tǒng)的防護失效。
　　 本文以熱彈蠕變有限元理論(FEM）為基礎(chǔ)，以模擬材料開裂過程的粘著區(qū)模型（Cohesive zone）為手段，通過ABAQUS 有限元分析軟件，對熱障涂層系統(tǒng)在熱循環(huán)作用下的破壞機理進行了計算分析。研究了熱循環(huán)峰值溫度、升溫速度等對涂層內(nèi)殘

3、余應力和殘余變形的影響，重點討論了熱生長氧化物層（TGO）形貌的影響，并對可能萌生裂紋的區(qū)域進行了模擬和預測。計算結(jié)果表明：(1)在熱生長氧化物層形貌奇異處，殘余應力和殘余變形較高；(2)峰值溫度的高低對殘余應力大小的影響較大，升溫速度對殘余應力影響較小。
　　 另外，為了進一步模擬熱循環(huán)載荷作用下熱脹涂層系統(tǒng)中微裂紋的起裂和擴展過程，首先采用四邊形網(wǎng)格對涂層系統(tǒng)進行離散，然后在四邊形網(wǎng)格的公共邊設(shè)置粘著單元。對熱障涂層系統(tǒng)在熱