曲面結構的熱障涂層系統(tǒng)殘余應力有限元模擬分析.pdf

1、熱障涂層技術能有效降低高溫部件的工作溫度,使其免受高溫腐蝕和高溫氧化,使現(xiàn)代航空燃氣渦輪發(fā)動機內高溫合金部件在高于其熔點溫度的服役環(huán)境中工作成為可能,進而提高了航空發(fā)動機燃氣溫度和熱效率,已成為許多國家航空裝備制造業(yè)發(fā)展的重要材料。在實際應用中,由于各層材料參數(shù)不匹配、高溫氧化、高溫蠕變和塑性變形、高溫燒結等因素的共同作用,導致熱障涂層系統(tǒng)內的殘余應力和裂紋越來越大,最終導致陶瓷涂層與基底發(fā)生脫層和剝離破壞,嚴重制約了熱障涂層的服役壽命

2、和可靠性。因此如何有效地預測熱障涂層系統(tǒng)的應力場演變及優(yōu)化生產(chǎn)工藝是有效預測和延長其工作壽命的重要基礎和保證。而對于帶熱障涂層的具有不規(guī)則幾何曲面的渦輪葉片界面失效問題,難以建立有效的解析解來對其應力場進行計算分析,有限元方法就成為了一種重要的有效研究手段。因此本論文的研究重點是利用有限元方法對曲面結構的熱障涂層系統(tǒng)應力場進行模擬分析,為合理預測復雜結構熱障涂層系統(tǒng)的服役壽命和可靠性提供重要的基礎。其主要研究內容如下:
　　(1)

3、本論文首先用有限元方法分析了制備過程中圓柱曲面結構熱障涂層系統(tǒng)的應力場,并用一個解析解進行對比驗證。重點討論了分別位于凹面、凸面、同時存在于凹、凸面的陶瓷涂層對系統(tǒng)殘余應力分布的影響。在每種情況下,本論文還分析了金屬基底曲率半徑、沉積溫度和陶瓷層厚度對系統(tǒng)殘余應力的影響。研究結果表明:噴涂的涂層位置對系統(tǒng)的應力場分布有非常重要的影響;徑向應力隨基底曲率半徑的增大而減小,而基底曲率對系統(tǒng)的環(huán)向應力影響不大;熱障涂層系統(tǒng)各層的徑向和環(huán)向殘余

4、應力均隨沉積溫度的增大而增大;熱障涂層系統(tǒng)各層的徑向應力隨陶瓷層厚度的增加而增大,而環(huán)向應力隨陶瓷層厚度的增加而減小。
　　(2)本論文用有限元方法分析了熱循環(huán)條件下三維圓柱殼體熱障涂層系統(tǒng)應力場?？紤]了金屬基底曲率半徑、熱循環(huán)溫度、陶瓷層厚度、陶瓷層高溫蠕變和粘結層、氧化層的塑性對殘余應力的影響。通過計算得出以下規(guī)律:陶瓷層內的徑向應力隨基底曲率半徑增大而減小,而環(huán)向應力和軸向應力均隨基底曲率半徑增大而增大;陶瓷層和氧化層內的徑

5、向應力、軸向應力和環(huán)向應力均隨熱循環(huán)溫度的增大而增大;陶瓷層和氧化層內的徑向應力、環(huán)向應力和軸向應力均隨陶瓷層厚度的增大而增大;陶瓷層和氧化層內的徑向應力、環(huán)向應力和軸向應力均隨熱循環(huán)次數(shù)的增大而增大。在第20個熱循環(huán)以前陶瓷層和氧化層內的徑向應力、環(huán)向應力和軸向應力均增大很快,20個熱循環(huán)之后趨于穩(wěn)定。
　　總之,本論文的研究工作較為系統(tǒng)地分析了在制備過程和熱循環(huán)過程中圓柱體結構熱障涂層系統(tǒng)的殘余應力,為今后預測帶熱障涂層系統(tǒng)的