热循环下热障涂层应力的数值模拟(2)
5.2 结果分析 24
结论 27
致谢 28
参考文献 29
1 绪论
1.1 热障涂层概述
利用等离子喷涂、气相沉积等技术将陶瓷材料喷涂在基体的表面上，可以形成热障涂层（thermal barrier coatings，TBCs）。该涂层具备良好的隔热和抗氧化的能力，可以很好的保护基体不被环境破坏，在各种高科技工程领域，如：航空航天工程、石油化工和核工程等，有着十分广泛的应用[1-2]。TBCs良好隔热效果，可以使得基体在更高的温度下使用，有效提高了热机的工作效率。
由于热障涂层在制备过程中陶瓷层、粘结层和基体的材料参数不匹配，而且存在初始应力、温度梯度和材料在高温下蠕变等因素，使得涂层界面附近存在复杂的残余应力场。在服役过程中，TBCs在多次热循环加载的条件下，内部残余应力不断累积增加，在应力超过涂层破坏强度极限时，就会导致界面和涂层内部产生裂纹，并最终使涂层破裂剥离基体。因此必须研究TBCs在多次热循环载荷作用下，涂层内部残余应力的产生和分布。现今研究TBCs中残余应力主要有实验测试、数学分析和数值模拟等方法。使用有限元分析软件进行数值模拟是现在最常用的方法，不仅节约材料，而且在考虑材料的热失配，粘结层的氧化，界面的复杂形状，以及蠕变造成的应力松弛后，模拟的结果能够很好的符合实验事实[4]。
1.2 热障涂层的研究现状
1.2.1 热障涂层的结构体系
现有的TBCs一般有三种，结构示意图1. 1，（a）为双层结构系统，（b）为多层结构系统和（c）为梯度结构系统 [5-6]。现今使用最多的是双层结构系统，被广泛应用于航空发动机的叶片和燃烧室中。其中基体为高温合金，中间层为粘结层，顶层为陶瓷层。陶瓷层材料为氧化钇稳定氧化锆，耐腐蚀、耐氧化且导热系数低，而粘结层的材料通常为MCrAlY ( M =Ni， Co或Ni-Co合金)， 主要是为了增加陶瓷层和基体的结合强度，还能提高基体抗氧化性的作用。
1.1 热障涂层结构示意图
双层结构TBCs隔热原理示意图1. 2 [7] 。热障涂层在服役过程中，贯穿涂层的实线表示从外部的高温气体一侧到冷却气体一侧的温度分布，很明显的看到，由于陶瓷层的低热传导系数，可以使得基体温度降低几百摄氏度。不仅如此，用于制备双层结构TBCs的设备简单，故在实际中应用最为广泛。但双层结构热障涂层中陶瓷层和粘结层的热失配严重，在多次的热循环加载的作用下, 结合面处会积累非常大的残余应力,在应力超过材料的破坏强度时，内部将产生裂纹，极大影响了涂层的抗热震性能进一步提高。而且为了提高涂层的隔热效果，只能不断增加陶瓷层的厚度，结果导致 陶瓷层和粘结层界面处温度梯度的进一步增加，产生更大的热应力。
1.2 双层结构TBCs隔热原理示意图
多层结构热障涂层是为了缓解材料热失配带来的影响而被开发出来，它是使用几层封阻层或者隔热层当作过渡层，而且这些过渡层还能够提高基体的抗氧化能力。当多层结构热障涂层在高温环境服役时，封阻层可以与氧原子反应结合，抑制氧原子向基体扩散，从而能有效地防止粘结层和基体的氧化腐蚀。不过这种多层结构热障涂层制备工艺复杂，而且不能够有效改善热障涂层的抗热震性，因此在实际应用中并不广泛。
梯度结构热障涂层因是通过连续地改变材料的组成，来缓解材料热失配带来的影响，能够有效减少热应力，改善残余应力分布，并且能提高涂层与基体间的结合力[8]。在采用电子束物理气相沉积工艺制备的梯度结构热障涂层时，能够明显改善TBCs的抗热震性能。材料的梯度化提高了各层之间的结合强度，提高了TBCs的高温性能，但制备工艺更为复杂，还处在实验研究阶段。
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