曲面結(jié)構(gòu)的熱障涂層系統(tǒng)殘余應(yīng)力有限元模擬分析.pdf

1、熱障涂層技術(shù)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?xì)鉁u輪發(fā)動機內(nèi)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(jìn)而提高了航空發(fā)動機燃?xì)鉁囟群蜔嵝?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(yīng)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?zé)Y(jié)等因素的共同作用,導(dǎo)致熱障涂層系統(tǒng)內(nèi)的殘余應(yīng)力和裂紋越來越大,最終導(dǎo)致陶瓷涂層與基底發(fā)生脫層和剝離破壞,嚴(yán)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(yù)測熱障涂層系統(tǒng)的應(yīng)力場演變及優(yōu)化生產(chǎn)工藝是有效預(yù)測和延長其工作壽命的重要基礎(chǔ)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(yīng)力場進(jìn)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(jié)構(gòu)的熱障涂層系統(tǒng)應(yīng)力場進(jìn)行模擬分析,為合理預(yù)測復(fù)雜結(jié)構(gòu)熱障涂層系統(tǒng)的服役壽命和可靠性提供重要的基礎(chǔ)。其主要研究內(nèi)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(jié)構(gòu)熱障涂層系統(tǒng)的應(yīng)力場,并用一個解析解進(jìn)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(yīng)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(yīng)力的影響。研究結(jié)果表明:噴涂的涂層位置對系統(tǒng)的應(yīng)力場分布有非常重要的影響;徑向應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力隨陶瓷層厚度的增加而增大,而環(huán)向應(yīng)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(yīng)力場。考慮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(jié)層、氧化層的塑性對殘余應(yīng)力的影響。通過計算得出以下規(guī)律:陶瓷層內(nèi)的徑向應(yīng)力隨基底曲率半徑增大而減小,而環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力均隨基底曲率半徑增大而增大;陶瓷層和氧化層內(nèi)的徑

5、向應(yīng)力、軸向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力均隨熱循環(huán)溫度的增大而增大;陶瓷層和氧化層內(nèi)的徑向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力均隨陶瓷層厚度的增大而增大;陶瓷層和氧化層內(nèi)的徑向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)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(nèi)的徑向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)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(jié)構(gòu)熱障涂層系統(tǒng)的殘余應(yīng)力,為今后預(yù)測帶熱障涂層系統(tǒng)的