多次热循环下热障涂层热稳定过程的数值模拟.pdf

计算机应用多次热循环下热障涂层热稳定过程的数值模拟
高西亚,徐颖强(西北工业大学机电学院,陕西西安710072)
摘要:采用热弹塑性有限元方法,通过对热障涂层多次热循环降温过程中产生的残余应力的数值模拟,研究了在
热梯度、热膨胀失调情况下涂层的热稳定过程。结果表明,在相同材料参数情况下,陶瓷层与粘接层的界面形貌
对残余应力及稳定状态有显著的影响,凹凸不平的界面将会使界面残余应力发生突变,不利于增强界面结合强度
和涂层结构的稳定。该结果对分析涂层寿命及失效机制有指导意义。
关键词:热障涂层;热循环;热稳定性;数值模拟
中图分类号:TB115文献标识码:A文章编号:025426051(2007)0520098204
NumericalSimulationoftheStabilizationinThermalBarrierCoatingsDuring
ThermalCycling
GAOXi2ya,XUYing2qiang
(CollegeofMechanical&ElectronicEngineering,NorthwesternPolytechnicalUniversity,XicanShaanxi710072,China)
Abstract:Theresidualstressaccumulationduringthermalcyclingofthermalbarriercoatings(TBCs)wassimulatedby
thermalelastic2plasticfiniteelementmethodinthispaper.Stabilizationprocessofthermalbarriercoatingsduringthermal
cyclingwasstudiedwhenconsideredofmaterialsthermalgradientandthermalexpansionmisfi.tAndtheinfluencesofthe
interfacialtopographyonresidualstressandstabilizationprocesswereanalyzed.Theresultsshowthattheresidualstress
andstabilizationprocessareaffectedremarkablybyinterfacialtopographybetweentopcoatingandbondcoating.Acci2
dentedinterfacewillcausethesuddenchangeoftheinterfacialresidualstresswhichisbadtotheinterfacebonding2
strengthandthestabilization.TheresultsareusefultostudythelifeandthemechanismoffinalspallationofTBCs.
Keywords:thermalbarriercoatings(TBCs);thermalcycling;thermalstability;numericalsimulation
热障涂层系统充分利用了高温合金等基底材料的的残余应力是导致热障涂层结构不稳定的主要原因。
高韧性和陶瓷等涂层材料良好的耐高温、抗磨损、抗腐目前对残余应力的研究取得很大进展,但大部分局限
蚀性能,所以在航空航天、石化及核电站等高科技工程于试验测试和模拟由于工艺方法而导致的制备残余应
[123]
领域具有广泛的应用潜力。热稳定性是热障涂层力及其形成机理[729],而且对热障涂层结构热稳定性的
的一个重要性质,在工程实际中,热障涂层结构所受到研究还未见报道。本文不考虑涂层制备残余应力,利
的载荷是在一定范围内重复变化的,如果结构在加载用热弹塑性有限元方法,对热障涂层多次热循环冷却
初期出现局部塑性变形,但经过一定次数的载荷循环过程中产生的残余应力进行了数值模拟,研究了在热
后塑性损伤不再累积,结构将呈现弹性行为,即称结构梯度、材料参数不匹配情况下涂层结构的热稳定过程,
是稳定的。反之在每个载荷循环都产生塑性变形,结分析了界面形貌对稳定状态的影响。
构将进入塑性损伤不断累积的逐步破坏过程,最终导1有限元模型建立
致循环塑性或渐增塑性棘轮破坏即结构是不稳定
(),本文的研究对象为等离子喷涂热障涂层,由于
[2]
的。热障涂层在高温热循环作用下所产生的累积基体的厚度尺寸远远大于粘结层和涂层的厚度尺
残余应力不断增大将引起结构不稳定最终导致界面
,寸,且残余应力最大值在涂层和粘接层的界面上,故
[425]
的剥离是热障涂层失效的主要原因因此研究热障[2,10]
,计算模型只取粘接层和涂层,这样可以有效