熱力載荷下鋁基Al2O3涂層材料的界面失效研究.pdf

1、學(xué)校代碼：10406中圖分類號：TB333學(xué)號：130085204025南昌航空大學(xué)南昌航空大學(xué)碩士學(xué)位論文(專業(yè)學(xué)位研究生)熱力載荷下鋁基Al2O3涂層材料的界面失效研究碩士研究生：夏宇鋒導(dǎo)師：江五貴教授申請學(xué)位級別：碩士學(xué)科、專業(yè)：材料工程所在單位：航空制造工程學(xué)院答辯日期：2016年6月5日授予學(xué)位單位：南昌航空大學(xué)I摘要鋁合金蜂窩結(jié)構(gòu)由于其高比強度、高比模量和輕量化等特點，被廣泛應(yīng)用于航空、航天和汽車等領(lǐng)域。但鋁合金同時也具有較

2、差的耐熱性和耐磨性等缺點，導(dǎo)致其應(yīng)用受到限制?；诖耍疚牟捎藐枠O氧化技術(shù)為鋁合金蜂窩構(gòu)件的表面制備了Al2O3防熱涂層，并且利用試驗方法和數(shù)值模擬方法研究了鋁基氧化鋁陶瓷涂層復(fù)合材料在熱學(xué)和力學(xué)載荷下，涂層及其界面的損傷與失效過程。本文的研究工作可以為鋁基陶瓷涂層復(fù)合材料的實際工程應(yīng)用提供一定的參考和指導(dǎo)。主要內(nèi)容如下：首先，利用陽極氧化工藝，為鋁基蜂窩材料的內(nèi)孔和標準拉伸試樣的標距表面制備了氧化鋁防熱涂層。并對氧化鋁涂層進行了一系列

3、的表征與性能測試。結(jié)果表明：涂層的厚度約為54μm，涂層顯微維式硬度為409.0HV。由XRD衍射圖在涂層中檢測出了γAl2O3，說明涂層的主要由物相是γAl2O3。并且O和Al的原子比大于2:1，進一步表明氧化膜由非晶態(tài)Al2O3和晶態(tài)Al2O3組成。SEM圖觀察到鋁基涂層材料由鋁基體、阻擋層和Al2O3涂層組成，在鋁基體與涂層之間有3μm厚度左右的阻擋層，這一試驗結(jié)果與Keller模型吻合很好。其次，系統(tǒng)地研究了蜂窩鋁基氧化鋁涂層復(fù)

4、合材料在熱載荷下界面和涂層的損傷和失效。采用試驗法和理論估算法分析了熱載荷急冷狀態(tài)下界面處產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，以及殘余應(yīng)力對復(fù)合材料界面及涂層破壞的影響。之后基于內(nèi)聚力單元(CMZ)建立二維模型，模擬了熱載荷穩(wěn)態(tài)下界面處產(chǎn)生的熱應(yīng)力以及界面的損傷與失效，并通過試驗進行了對比，吻合較好?？紤]了涂層厚度、熱載荷大小、預(yù)制涂層垂直裂紋密度這三個因素對界面處應(yīng)力場和界面損傷失效的影響。試驗和模擬結(jié)果都發(fā)現(xiàn)界面在加熱到300℃后冷卻，界面未產(chǎn)生平行裂

5、紋，而加熱到400℃后冷卻后界面出現(xiàn)平行裂紋，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好。在熱載荷作用下，隨著涂層預(yù)制垂直裂紋密度的增加，界面損傷也隨著加重。但當(dāng)這種預(yù)制垂直裂紋密度達到某個值后，界面損傷反而減小并逐漸趨于穩(wěn)定。研究發(fā)現(xiàn)存在某個臨界預(yù)制裂紋密度值，使得熱載荷下界面損傷最小。最后，研究了鋁基氧化鋁涂層復(fù)合材料在拉伸力學(xué)載荷下界面和涂層的損傷和失效。基于內(nèi)聚力單元建立二維模型，模擬了鋁基體在拉伸載荷下的界面損傷與失效，并進行了試驗驗證?？紤]