熱障涂層失效因素的數(shù)值模擬研究.pdf

1、熱障涂層因具有極低的熱導(dǎo)率、高溫抗氧化、抗腐蝕及耐磨損等性能，能為渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫部件提供熱防護(hù)，從而提高工作效率，延長(zhǎng)服役壽命。陶瓷層內(nèi)較大的孔隙率，陶瓷層和粘結(jié)層的熱物理參數(shù)不匹配、界面形貌的波動(dòng)以及界面間熱生長(zhǎng)氧化物（Thermalgrowthoxidation，TGO）形成是導(dǎo)致熱障涂層失效的主要原因，因而對(duì)影響涂層失效的因素和失效機(jī)理進(jìn)行研究分析就變得極為重要。本文研究?jī)?nèi)容和研究結(jié)果如下：
　　首先，通過(guò)模擬熔滴的熱噴涂

2、過(guò)程來(lái)優(yōu)化噴涂參數(shù)，提高涂層的鋪展結(jié)合性能。使用FLUENT對(duì)噴涂過(guò)程中單顆熔滴的形態(tài)變化、凝固層的形成、內(nèi)部流場(chǎng)分別分析，探討了熔滴鋪展的規(guī)律，分析了熔滴速率對(duì)結(jié)合半徑的影響，隨后使用ANSYS分析了熱噴涂后的殘余應(yīng)力，考慮基體預(yù)熱溫度和熔滴噴射速率的影響。結(jié)果表明，隨著熔滴噴射速率的增大，鋪展半徑增大、熔滴表面的平整度有所下降，同時(shí)陶瓷層的孔隙率隨之提升。提高基體預(yù)熱溫度能有效地降低結(jié)合界面應(yīng)力，而噴射速率對(duì)結(jié)合界面應(yīng)力水平影響甚微

3、。
　　其次，比較分析了典型雙層涂層和梯度涂層內(nèi)應(yīng)力的特點(diǎn)，同時(shí)分析了梯度涂層成分分布指數(shù)n對(duì)熱應(yīng)力的影響。在最佳梯度成分分布指數(shù)n=1的基礎(chǔ)上，考慮梯度層厚度來(lái)對(duì)熱應(yīng)力進(jìn)行優(yōu)化，得出梯度層厚度為d=0.55um時(shí)，涂層結(jié)合性能最好。同時(shí)考慮了梯度層與基體層間的TGO對(duì)熱應(yīng)力的作用，并通過(guò)在梯度涂層內(nèi)部界面預(yù)先制備一層很薄的Al2O3來(lái)改善涂層內(nèi)部的應(yīng)力，結(jié)果顯示其改善效果突出。
　　另外，研究分析了涂層結(jié)合界面的不同界面形