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2010年11月北京航空航天大学学报November2010

第36卷第11期JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsVol.36No11

热障涂层热应力影响因素的正交有限元分析
李志永张建宇鲍蕊费斌军

(北京航空航天大学航空科学与工程学院,北京100191)

摘要:利用有限元分析方法,采用Walker粘塑性材料本构模型计算了喷涂于圆管
型试件上的热障涂层在室温和高温环境下的热应力.使用试验中常用的正交设计分析方法,分
析了热障涂层不同的结构和喷涂工艺中的4种因素在取不同的水平条件时对热障涂层热应力
的影响.分析结果表明:对于所考察的危险点,4种因素对热障涂层中热应力的产生都有显著
影响,其中以氧化层的厚度对其影响最为严重;4种因素随其各自水平的变化对涂层内部应力
变化的影响规律不同.
关键词:热障涂层;热应力;有限元分析方法
中图分类号:V214.4
文献标识码:A文章编号:10015965(2010)11133904

Finiteelementanalysisoffactorstothermalstressinthermalbarrier
coatingswithorthogonalmethod
LiZhiyongZhangJianyuBaoRuiFeiBinjun
(SchoolofAeronauticScienceandEngineering,BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Beijing100191,China)
Abstrac:tThethermalstressesinroomandelevatedtemperatureswerestudiedinthermalbarriercoatings
(TBCs)whichwascoatedattheoutersurfaceofpipespecimens,usingfiniteelementmethod(FEM),and
theWalkerviscoplastictheorywasadoptedtodepictingthestressstrainconstitutionintheceramiclayer.Dur
ingthedesignofFEManalysiscomputation,theorthogonaldesignmethodwidelyusedinexperimentstudy,
wasused,andthecontributionsoffourfactorstothebeingofthermalstresswereachieved.Theresultsshow
thatthefourfactorshavetheremarkableeffecttothermalstressinTBCs,andthefactorofthermallygrownox
ideisthemostimportan,tthestresschangingrulesoffourfactorsaredifferentinTBCswiththeascendingof
levels.
Keywords:thermalbarriercoatings(TBCs);thermalstess;finiteelementmethod(FEM)

热障涂层TBCs是目前最先进的高温防护涂基体的材料一般是镍基或钴基高温合金,粘
层之一,具有良好的高温化学稳定性、抗冲刷和隔结层材料是MCrAlY(M表示Ni或/和Co),陶瓷

热性等特点,可以使高温燃气和工作基体金属部层材料一般是6%~8%(质量分数)Y2O3部分稳
[3]
件之间产生较大温度降,从而减弱向基底的传定的ZrO2(YSZ),TGO层的主要成分是Al2O3.
热[1].用于涡轮发动机叶片上的热障涂层可以提经过国内外工作者几十年的研究表明,涂层的失
高叶片的工作温度,从而提高发动机的推重比和效一般发生在TGO内或是靠近TGO的YSZ和粘
效率,同时也可以减轻冷却系统的负担,实现简化结层内[4].
发动机结构和减轻发动机重量的目的[2].在热障涂层的有限元分析研究中,国内外的
热障涂层系统是一种多层结构,一般包括基不同学者在模型的建立中采用了不同的涂层结构
体、粘结层BC、陶瓷层和涂层制备和使用过程中尺寸和不同的无应力状态温度[5],由于TGO的存
在粘结层和陶瓷层界面上形成的氧化层TGO.在和生长对涂层的失效具有重要的作用,所以在

收稿日期:20090928
作者简介:李志永(1979-),男,河北唐山人,博士生,[e-mail]