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1、學(xué)校代碼10530學(xué)號(hào)201110081278分類號(hào)TB35密級公開碩士學(xué)位論文有限元方法分析TGO形貌對渦輪葉片熱障涂層應(yīng)力場的影響學(xué)位申請人蔡明指導(dǎo)教師周益春教授學(xué)院名稱材料與光電物理學(xué)院學(xué)科專業(yè)材料科學(xué)與工程研究方向防護(hù)涂層制備與應(yīng)用二零一四年四月萬方數(shù)據(jù)Theanalysisofmorphologyofthermallygrownoxideinfluenceonthestressfieldinaturbinebladewiththermalbarriercoatingsbyfiniteelementmode
2、lingCandidateMingCaiSupervisorProfessorYichunZhouCollegeFacultyofMaterials,OptoelectronicsandPhysicsProgramPreparationandApplicationofProtectiveCoatingsSpecializationMaterialsScienceandEngineeringDegreeEngineeringMasterUniversityXiangtanUniversityDateApril,201
3、4萬方數(shù)據(jù)湘潭大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名：日期：年月日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)湘潭大學(xué)可以將本學(xué)位論
4、文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名：日期：年月日導(dǎo)師簽名：日期：年月日萬方數(shù)據(jù)摘要熱障涂層(Thermalbarriercoatings，簡稱TBCs)以其優(yōu)異的隔熱、耐磨和耐蝕性被廣泛應(yīng)用在航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中。由于熱障涂層復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、惡劣的工作環(huán)境，粘結(jié)層將會(huì)發(fā)生氧化,在粘結(jié)層與陶瓷層之間形成一層氧化層(ThermallyGrowthOxide，簡稱TGO)。然而，氧化層的厚度極小，再加上其主要成分是氧化鋁的彈性模量很大
5、，使得其應(yīng)力水平比另外三層的應(yīng)力高1到2個(gè)數(shù)量級，容易發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，進(jìn)而可能導(dǎo)致涂層界面裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展與剝落。因此，研究氧化層對熱障涂層使用壽命的影響是非常重要的，本文采用有限元方法分析TGO形貌對渦輪葉片熱障涂層應(yīng)力場的影響，本論文的主要研究內(nèi)容如下：第一，由于渦輪葉片熱障涂層系統(tǒng)復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，單純依靠有限元軟件難以建立其實(shí)際尺寸的幾何模型，考慮TGO形貌進(jìn)一步加大了建立幾何模型的難度。因此，我們結(jié)合有限元軟件(ABAQUS)和三維畫圖軟件(CATIA)，建立了不同TGO形貌的渦輪葉片熱障涂層系統(tǒng)的有限元幾
6、何模型，并對其賦予材料屬性、設(shè)定邊界條件、網(wǎng)格劃分，本文給出了詳細(xì)具體的操作步驟。第二，針對一種TGO厚度為10μm、振幅為20μm的渦輪葉片熱障涂層模型，分析了渦輪葉片熱障涂層系統(tǒng)制備完成后冷卻到室溫過程中各層的初始?xì)堄鄳?yīng)力場，發(fā)現(xiàn)各層均存在不均勻的殘余應(yīng)力，并且TGO內(nèi)的殘余壓縮應(yīng)力約達(dá)-2.5GPa，是導(dǎo)致熱障涂層系統(tǒng)破壞的主要原因之一；穩(wěn)態(tài)溫度場的計(jì)算結(jié)果表明，熱障涂層的隔熱效果明顯，承擔(dān)了60%-80%的溫度差，并且渦輪葉片各位置的隔熱效果不一致；對熱循環(huán)過程中的力學(xué)行為進(jìn)行了有限元模擬，得到系統(tǒng)各層應(yīng)力
7、分布及演化規(guī)律，結(jié)果與解析結(jié)果符合得較好。第三，通過對不同TGO形貌的渦輪葉片熱障涂層系統(tǒng)進(jìn)行熱循環(huán)應(yīng)力場的有限元模擬，結(jié)合各種TGO形貌的有限元模擬結(jié)果，比較不同TGO形貌模型應(yīng)力場的水平，分析TGO形貌對渦輪葉片熱障涂層體系應(yīng)力場的影響。結(jié)果表明，相同TGO厚度下，渦輪葉片熱障涂層體系的應(yīng)力水平隨TGO界面形貌粗糙度的增大而增加；同樣，在固定的TGO界面粗糙度下，系統(tǒng)的應(yīng)力水平隨TGO厚度的增大而增加。同時(shí)也可根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)力場，對陶瓷層的危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行初步預(yù)測?？傊?，本論文應(yīng)用有限元方法分析了TGO形貌對渦輪葉片
8、熱障涂層系統(tǒng)應(yīng)力場的影響，得到了一些有意義的結(jié)論，為將來熱障涂層的危險(xiǎn)區(qū)域和壽命預(yù)測提供重要的實(shí)驗(yàn)方法和參考依據(jù)，而且也也擴(kuò)展了有限元法的應(yīng)用領(lǐng)域。關(guān)鍵詞：渦輪葉片；熱障涂層；有限元方法；TGO形貌；熱循環(huán)I萬方數(shù)據(jù)AbstractThermalbarriercoatings(TBCs)havebeenwidelyusedinaircraftturbinee
