等離子噴涂熱障涂層沖蝕失效的量綱分析及有限元模擬.pdf

1、熱障涂層(Thermal barrier coatings，即TBCs)技術由于能降低合金基底服役溫度、提高發(fā)動機性能與熱效率，已經(jīng)成為航空發(fā)動機的關鍵熱防護技術。服役時，涂層會受到燃燒室內(nèi)各種雜質(zhì)的撞擊，從而發(fā)生沖蝕失效，這已成為制約其安全應用的關鍵問題。等離子噴涂(plasma spraying)TBCs由于含有大量孔隙、微裂紋，幾何結(jié)構(gòu)極其復雜，使得其沖蝕性能的研究尤為困難。本文通過建立含隨機分布缺陷的涂層模型，結(jié)合失效形式采用相

2、應有限元方法模擬失效過程，并采用了量綱分析法重點分析了相關參數(shù)與沖蝕性能間的關系，最后建立了含均勻分布孔隙涂層的有限元模型進行對比。本學位論文的主要研究內(nèi)容如下：
　　第一，建立含隨機分布缺陷的等離子噴涂涂層的有限元幾何模型。首先結(jié)合等離子噴涂制備工藝及陶瓷層微觀結(jié)構(gòu)對其沖蝕失效現(xiàn)象進行分析，對影響沖蝕性能的關鍵因素——層內(nèi)缺陷進行簡化；其次根據(jù)各軟件的特點及優(yōu)勢，如MATLAB軟件編寫代碼方便容易、ANSYS軟件的命令流操作非常

3、方便、ABAQUS軟件可集中于結(jié)構(gòu)力學和相關領域的研究，簡單快捷地建立了等離子噴涂熱障涂層的有限元幾何模型。
　　第二，結(jié)合涂層沖蝕失效形式，采用了不同有限元法進行模擬，并找出最佳方法。由于 ABAQUS中沒有陶瓷層的本構(gòu)關系，因此需要借助其它方式模擬陶瓷層沖蝕失效，發(fā)現(xiàn)擴展有限元法(XFEM)適合模擬在粒子沖蝕作用下陶瓷層內(nèi)裂紋的擴展，脆性斷裂準則(Brittle Cracking)可用來模擬陶瓷層的破壞。結(jié)合沖蝕性能相關影響參

4、數(shù)及制備工藝所需要的參考指標，發(fā)現(xiàn)脆性斷裂準則最適合做更深入的研究。
　　第三，通過改變陶瓷層內(nèi)的孔隙相關參數(shù)，采用量綱分析法研究了孔隙對陶瓷層沖蝕性能的影響。將陶瓷層內(nèi)孔隙率、孔隙大小、孔隙分布以及沖蝕粒子的速度等相關參數(shù)無量綱化，分析了在這些參數(shù)的影響下，陶瓷層內(nèi)應力、能量及其被沖蝕掉的質(zhì)量、產(chǎn)生的裂紋長度、表面凹坑的深度等無量綱量的變化。
　　第四，建立了含均勻分布孔隙的等離子噴涂涂層的有限元模型，與含隨機分布孔隙的涂