基于真实TGO界面形貌的热障涂层热应力及界面失效有限元分析

摘要

热障涂层(Thermal barrier coatings,简称 TBCs)材料广泛使用于航空发动机的涡轮叶片等高温部件，其显著的隔热性能提高了涡轮叶片的工作温度，提升了发动机的燃油效率和推重比。热障涂层系统主要分为合金基底(Substrate)、粘结层(Bond coating,简称BC)、氧化层(Thermally grown oxide,简称TGO)和陶瓷层(Top coating,简称TC)。降温时，在TGO内及其界面会产生比较大的拉应力和剪应力，这是产生界面裂纹、导致涂层失效的主要原因，也是制约热障涂层发展的瓶颈。对热障涂层进行热应力分析和失效机制评估是十分必要和迫切的。然而氧化失效分析大多基于正弦或半圆TGO形貌，忽略了真实形貌的影响，所以本文主要通过图片处理技术结合有限元计算，对考虑真实TGO形貌的热障涂层进行了热应力及失效分析，主要研究内容和结果如下：
　　第一，对不同时期、不同形貌的热障涂层SEM图片进行灰度处理、阈值分割，提取真实的TGO界面；再对真实TGO界面进行矢量化处理，导入ABAQUS中建立不同真实TGO形貌的热障涂层几何模型，并对其赋予材料属性、设定边界条件、划分网格。文章中给出了具体的操作步骤及实例。
　　第二，针对特定的真实TGO形貌的热障涂层，选取涡轮叶片四个典型部位：前缘、尾缘、压力面和吸力面的温度边界对模型进行热应力计算；此外，建立服役的三个阶段：初期、中期和后期真实TGO形貌的热障涂层有限元模型，进行计算。计算结果表明：在TC层中，拉应力位于波谷区域，压应力位于波峰区域，最大剪应力位于中间区域，而在BC层中，正应力分布与TC层相反，最大剪应力同样位于中间区域；随着TGO形貌的变化，由于TGO不规则导致应力集中，最大应力的位置会发生变化；随着TGO形貌粗糙度的增加，应力先随粗糙度的增加而显著增加，随后趋于平缓，且与解析解吻合的较好。
　　第三，进行裂纹扩展计算，计算结果表明：横向裂纹倾向于从TC层中间部位往界面方向扩展并贯穿TC层，而界面裂纹会在TC/TGO界面的中间部位萌生并同时向波峰和波谷扩展；在波谷区域的裂纹扩展过程中，I型裂纹占据主导模式；在波峰区域和中间区域，II型裂纹占据主导模式。
　　总之，根据热应力及裂纹扩展分析，可以得到两种 TC/TGO界面的失效模式：(i)当TC层不存在微裂纹时，界面裂纹扩展导致TC层的剥离；(ii)当TC层中存在微裂纹时，横向裂纹和界面裂纹联合作用导致TC层的剥离。这对热障涂层在服役过程中的失效机制的建立和寿命预测提供了有效依据。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 热障涂层概述

1.3热障涂层氧化失效的研究现状

1.4 本文的选题依据与研究内容

第2章 考虑真实TGO形貌的热障涂层有限元模型建立

2.1 引言

2.2 考虑真实TGO形貌的热障涂层几何模型建立

2.3 考虑真实TGO形貌的热障涂层物理模型描述

2.4 本章小结

第3章 考虑真实TGO形貌的热障涂层热应力分析

3.1 引言

3.2 不同部位温度边界下真实TGO形貌的热障涂层热应力分析

3.3 不同服役时间下真实TGO形貌的热障涂层热应力分析

3.4本章小结

第4章 考虑真实TGO形貌的热障涂层界面失效分析

4.1引言

4.2 考虑真实TGO形貌的热障涂层裂纹模型建立

4.3 考虑真实TGO形貌的热障涂层裂纹扩展过程描述

4.4 考虑真实TGO形貌的热障涂层裂纹扩展机制分析

4.5 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 工作展望

参考文献

致谢

个人简介与攻读硕士学位期间发表的学术论文