熱障涂層分層斷裂有限元分析.pdf

1、熱障涂層在航空發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用很廣泛，尤其是應(yīng)用于發(fā)動機(jī)內(nèi)部關(guān)鍵高溫部件，以此提高部件耐受高溫的能力和增強(qiáng)部件的強(qiáng)度和使用壽命。熱障涂層在使用的過程容易發(fā)生陶瓷層脫落失效，這和其應(yīng)用環(huán)境，涂層本身結(jié)構(gòu)和涂層材料密不可分。其失效機(jī)理主要與熱生長氧化物生成和裂紋生成以及他們之間的相互作用有密切關(guān)系。熱生長氧化層在熱循環(huán)過程中發(fā)生不規(guī)則變形能夠進(jìn)一步促進(jìn)陶瓷層與氧化層界面處產(chǎn)生分層裂紋，而分層裂紋的開裂給氧化物生長提供空間和氧離子；并且涂層中各

2、層的材料參數(shù)對其失效有一定影響關(guān)系，如屈服在一定程度上緩解涂層內(nèi)部應(yīng)力，但是多次熱循環(huán)下塑性應(yīng)變又能在涂層內(nèi)部不斷積累，引起氧化層變形和裂紋的萌生、擴(kuò)展。
　　本文的目的是分析熱生長氧化物的不規(guī)則變形和分層裂紋對涂層層離破壞的影響。并利用非線性工程有限元軟件ABAQUS建立模型，模型中考慮了熱生長氧化物生長變形和氧化層、粘結(jié)層高溫屈服特性。主要內(nèi)容:首先考察氧化層界面形貌為凹型和凸型時應(yīng)力場隨溫度的變化情況，并著重分析凹型氧化層界

3、面下應(yīng)力場和氧化層變形，分析得出了涂層系統(tǒng)中容易發(fā)生失效的部位。然后預(yù)置分層裂紋來分析分層裂紋開裂規(guī)律。最后逐一分析影響氧化層生長變形的四個主要因素：生長應(yīng)變率、屈服特性、熱載荷方式以及氧化層凹陷深度對分層開裂的影響。
　　模擬結(jié)果得出了熱障涂層容易發(fā)生層離破壞的位置是 TBC/TGO和 TGO/BC界面處；分層裂紋在升溫階段容易萌生在凹陷氧化層內(nèi)部，而在高溫和降溫階段分層裂紋容易擴(kuò)展；氧化層生長變形促進(jìn)涂層發(fā)生層離破壞，變形程度