基于熱權(quán)函數(shù)法的熱障涂層界面裂紋的斷裂參數(shù)研究.pdf

1、熱障涂層(Thermal Barrier Coatings，簡稱TBCs)是將具有耐高溫、耐腐蝕和隔熱特性的陶瓷材料涂覆在合金基體表面，用以防護(hù)合金基體不致過熱，從而提高了燃?xì)廨啓C(jī)相關(guān)構(gòu)件的壽命。熱障涂層可視為一種典型的多層結(jié)構(gòu)系統(tǒng),一般由陶瓷層(Ceramic Top Coat)、粘結(jié)層(Bond Coat)和基底(Substrate)組成。它對于熱氣流流過的渦輪葉片的保護(hù)至關(guān)重要。熱障涂層的任何剝落可以引起燃?xì)鉁u輪機(jī)災(zāi)難性的損壞。大

2、量的事實表明，TBCs涂層系統(tǒng)的破壞和失效脫落主要原因是因為界面裂紋的擴(kuò)展造成的。因此，探索熱障涂層界面裂紋在受到熱沖擊循環(huán)載荷下的裂紋參數(shù)分析方法成為相關(guān)工程和技術(shù)領(lǐng)域的重要和重大課題。
　　論文基于熱權(quán)函數(shù)法，研究熱障涂層界面裂紋的斷裂參數(shù)計算方法。
　　論文首先對權(quán)函數(shù)法的基本原理，基本概念進(jìn)行了介紹，在權(quán)函數(shù)的基礎(chǔ)上，對均質(zhì)材料中的裂紋問題，考慮了熱沖擊載荷作用的熱權(quán)函數(shù)有限元計算格式進(jìn)行了推導(dǎo)。然后基于MATLAB

3、程序和ABAQUS軟件對熱權(quán)函數(shù)法的實現(xiàn)進(jìn)行了數(shù)值研究。其中，在有限元分析中，對如何在有限元模型上進(jìn)行虛擬裂紋擴(kuò)展，單元及其節(jié)點重新編號，提取單元節(jié)點信息進(jìn)行了介紹。程序?qū)崿F(xiàn)過程中，敘述了如何進(jìn)行關(guān)鍵量的程序求解，公式的數(shù)值積分，并且對本文基于MATLAB的程序進(jìn)行了驗證。
　　針對異質(zhì)界面裂紋問題，推導(dǎo)了熱權(quán)函數(shù)法求解界面裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子的計算格式，基于熱權(quán)函數(shù)法對熱障涂層受到熱沖擊載荷作用時，界面裂紋熱應(yīng)力強(qiáng)度因子進(jìn)行了計算。

4、考察了不同溫升率與陶瓷層厚度對熱應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響。研究結(jié)果表明：熱障涂層界面裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子基于熱權(quán)函數(shù)法計算出的結(jié)果，和交互積分法算出的結(jié)果，相對誤差小于1％，滿足計算要求。熱障涂層界面裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子在升溫過程中，隨溫度升高而升高；不同溫升率下，溫升率越高，應(yīng)力強(qiáng)度因子越大；降溫過程中，應(yīng)力強(qiáng)度因子隨溫度降低而減小。陶瓷層厚度增加，熱應(yīng)力強(qiáng)度因子增加。
　　論文最后利用熱權(quán)函數(shù)法計算的應(yīng)力強(qiáng)度因子對含界面裂紋的涂層疲勞壽命進(jìn)