等離子噴涂熱障涂層沖蝕失效的量綱分析及有限元模擬.pdf

1、熱障涂層(Thermal barrier coatings，即TBCs)技術(shù)由于能降低合金基底服役溫度、提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能與熱效率，已經(jīng)成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵熱防護(hù)技術(shù)。服役時(shí)，涂層會(huì)受到燃燒室內(nèi)各種雜質(zhì)的撞擊，從而發(fā)生沖蝕失效，這已成為制約其安全應(yīng)用的關(guān)鍵問題。等離子噴涂(plasma spraying)TBCs由于含有大量孔隙、微裂紋，幾何結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，使得其沖蝕性能的研究尤為困難。本文通過建立含隨機(jī)分布缺陷的涂層模型，結(jié)合失效形式采用相

2、應(yīng)有限元方法模擬失效過程，并采用了量綱分析法重點(diǎn)分析了相關(guān)參數(shù)與沖蝕性能間的關(guān)系，最后建立了含均勻分布孔隙涂層的有限元模型進(jìn)行對(duì)比。本學(xué)位論文的主要研究內(nèi)容如下：
　　第一，建立含隨機(jī)分布缺陷的等離子噴涂涂層的有限元幾何模型。首先結(jié)合等離子噴涂制備工藝及陶瓷層微觀結(jié)構(gòu)對(duì)其沖蝕失效現(xiàn)象進(jìn)行分析，對(duì)影響沖蝕性能的關(guān)鍵因素——層內(nèi)缺陷進(jìn)行簡化；其次根據(jù)各軟件的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，如MATLAB軟件編寫代碼方便容易、ANSYS軟件的命令流操作非常

3、方便、ABAQUS軟件可集中于結(jié)構(gòu)力學(xué)和相關(guān)領(lǐng)域的研究，簡單快捷地建立了等離子噴涂熱障涂層的有限元幾何模型。
　　第二，結(jié)合涂層沖蝕失效形式，采用了不同有限元法進(jìn)行模擬，并找出最佳方法。由于 ABAQUS中沒有陶瓷層的本構(gòu)關(guān)系，因此需要借助其它方式模擬陶瓷層沖蝕失效，發(fā)現(xiàn)擴(kuò)展有限元法(XFEM)適合模擬在粒子沖蝕作用下陶瓷層內(nèi)裂紋的擴(kuò)展，脆性斷裂準(zhǔn)則(Brittle Cracking)可用來模擬陶瓷層的破壞。結(jié)合沖蝕性能相關(guān)影響參

4、數(shù)及制備工藝所需要的參考指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)脆性斷裂準(zhǔn)則最適合做更深入的研究。
　　第三，通過改變陶瓷層內(nèi)的孔隙相關(guān)參數(shù)，采用量綱分析法研究了孔隙對(duì)陶瓷層沖蝕性能的影響。將陶瓷層內(nèi)孔隙率、孔隙大小、孔隙分布以及沖蝕粒子的速度等相關(guān)參數(shù)無量綱化，分析了在這些參數(shù)的影響下，陶瓷層內(nèi)應(yīng)力、能量及其被沖蝕掉的質(zhì)量、產(chǎn)生的裂紋長度、表面凹坑的深度等無量綱量的變化。
　　第四，建立了含均勻分布孔隙的等離子噴涂涂層的有限元模型，與含隨機(jī)分布孔隙的涂