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《界面形貌對熱障涂層殘余應力影響的數(shù)值模擬》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內容在教育資源-天天文庫。
1、l0．試驗與研究．焊接技術第39卷第3期2010年3月文章編號：1002—025X(2010)03—0010—04界面形貌對熱障涂層殘余應力影響的數(shù)值模擬朱晨，劉楊，陳亞軍，王志平(中國民航大學理學院，天津300300)摘要：利用ABAQUS有限元分析軟件對熱障涂層中的殘余應力進行了模擬分析，研究了不同界面微結構及其尺寸(包括圓弧半徑、高度)對平行和垂直于界面的殘余應力最大值的影響、結果表明，界面形貌結構尺寸與熱障涂層中的陶瓷層及粘結層界面殘余應力有密切的關系．凹凸不平的界面將會使界面殘余應力發(fā)生突變，界面形貌的曲率對殘余應力的影響較大。這些結論為提高涂層界面結合強度提供了理論支持．也為熱
2、障涂層界面的優(yōu)化提供了指導。關鍵詞：熱障涂層；殘余應力；界面形貌；數(shù)值模擬中圖分類號：TG174．442文獻標志碼：B0前言1涂層結構與有限元模型的建立熱噴涂涂層制備工藝可以針對工件的具體工作環(huán)1．1涂層結構境改善材料的表面性能，從而達到提高丁件隔熱、以等離子弧噴涂熱障涂層為研究對∞象∞，∞其們陶∞瓷∞層鯽∞∞加耐磨和耐腐蝕的目的，因此，在航空航天、石化及核(含(Y2O3)8％的ZrO)厚度為250m，結合層電站等高科技工程領域具有廣泛的應用潛力。(Ni一22Cr—lOA1—1Y)厚度為100m。材料參數(shù)如典型的熱障涂層結構由陶瓷層、粘結層和金屬下：陶瓷層密度為5700kg／m，比熱容為5
3、65J／(kg·基體組成，由于涂層與基體熱膨脹系數(shù)、熱導率不K)；粘結層密度為7320kg／m，比熱容為583J／(kg·匹配等原因．當溫度發(fā)生變化時涂層與基體會產生K)：其他材料參數(shù)(彈性模量E、熱膨脹系數(shù)、粘形變。會在涂層內部產生殘余應力，嚴重影響著涂結層屈服強度尺)隨溫度的變化曲線如圖1所示。層的一些主要性能，如耐剝落性能、疲勞壽命-圾結合強度一3j等。長期在高溫環(huán)境中工作和熱沖擊條件下，熱障涂層往往會因此產生剝落失效。在熱障涂層的制備過程中．過渡層表面毛化處理是形成涂層結合界面形態(tài)結構的關鍵因素。降低粘結層(BC)表面粗糙度，有利于減少應力集中，優(yōu)化熱應力分布。但是降低表面粗糙度就
4、會降低結合強度，溫度／℃從而影響熱障涂層(TBC)的使用壽命。解決該問題(a)彈性模量隨溫度的變化的基本途徑是對界面結構形態(tài)影響應力分布的機制進18l7行系統(tǒng)研究。本文采用有限元分析軟件ABAQUS模擬16譬15計算在降溫過程中不同界面形貌的雙層ZrO，／NiCrA1Y14耬13熱障涂層的殘余應力分布狀態(tài)，為熱障涂層界面的優(yōu)12化及其加工工藝的設計提供更為全面的理論指導。羞t蓑109收稿日期：20o9—11-058基金項目：國家自然科學基金資助項目(60879018)溫度／qc(b)熱膨脹系數(shù)隨溫度的變化WeldingTechnologyVo1．39No．3Mar．2010試驗與研究·11
5、，Y方向位移無變化)，另選左邊界所有結點的方向位移同定。^_伽伽珊瑚姍㈣莖《囔：一唾廠＼／／～＼／溫度／℃廠L廠＼一廠L廠L廠、(c)粘結層的屈服強度隨溫度的變化圖1材料參數(shù)隨溫度的變化(1為陶瓷層。2為粘結層(a)平面界面形貌(b)樣條曲面界面形貌1．2有限元模型(c)圓弧界面形貌(d)確定邊長的方形界面形貌圖3不同形狀的界面形貌微觀結構模型本文的研究對象為等離子弧噴涂熱障涂層。由于基體的厚度尺寸遠遠大于粘結層和涂層的厚度尺寸，2數(shù)值模擬及分析且殘余應力最大值在涂層和粘接層的界面上，故計算2．1界面為平面和曲面的殘余應力狀態(tài)對比模型只取粘接層和涂層r43，這樣可以保證計算結果的圖4是界面
6、為平面和曲面的殘余應力分布狀況。準確性。有限元計算模型見圖2。分析過程中假設為曲面是在給定模型參數(shù)n和波動高度h的條件下．通完全彈性，不涉及塑性變形，而且材料為各向同性；過關鍵點擬合的樣條曲線來模擬凹凸不平的曲面，取假定基體不產生熱畸變、結合層和基體在界面處不產圖2中0=800Ixm，h=50Ixm生相對滑動。在此次數(shù)值模擬中，首先對比界面形貌為平面和曲面的應力狀態(tài)如圖3a，b所示；其次，通過改變圓弧界面的半徑來說明曲率的變化對于殘余應力的影響如圖3c所示；最后．通過模擬具有不同高度的方形形貌來測試形貌高度的影響．如圖3d所示。圖2界面為樣條曲線的有限元計算模型由于垂直于橫截面方向上的尺寸
7、相對于形貌周期的尺寸要大得多，因此這是一個平面應變問題。計算【b)界回為曲向的應力分布中以初末兩態(tài)溫度的變化作為涂層降溫時的體力載圖4應力分布圖荷，以噴涂時基體加熱后的控制溫度(1000℃)作從圖4中可看出，界面形貌為平面的涂層在降為熱障涂層系統(tǒng)的自由應力狀態(tài)(即初始狀態(tài))]，溫過程中殘余應力較小且沿界面沒有突變，界面為計算模型在室溫(20cc)時的殘余應力，溫度變化曲面時殘余應力較大，在界面下凹處殘余應力最大。為980
