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第十四届国际热喷涂研讨会论文 (ITSS’2011) 第十五届全国热喷涂年会论文 (CNTSC’2011) 等离子体喷涂锆酸钆涂层残余应力的仿真计算 杨加胜 a,b,c ，钟兴华a,b ，赵华玉a,b ，周霞明a,b ，陶顺衍a,b* （a.中国科学院 特种无机涂层重点实验室，上海 200050； b.中国科学院 上海硅酸盐研究所，上海 200050； c.中国科学院研究生院，北京 100039）① 摘要：采用有限元模拟计算等离子体喷涂 Gd Zr O 涂层在热震过程中结合层/ 陶瓷层界面附近产生 2 2 7 的残余应力，分析热生长氧化物（TGO ）厚度和界面粗糙度对应力分布的影响。计算结果显示，结 合层/ 陶瓷层界面波峰和波谷处的应力分布截然不同；光滑的界面上 TGO 增厚能更显著改变涂层内 应力的分布。结合涂层热循环试验结果，涂层断裂剥落源于靠近界面的陶瓷层内，在此基础上，进 一步探讨了涂层的失效机理。 关键词：有限元法；热障涂层；Gd Zr O ；残余应力 2 2 7 1. 引言 随着航空发动机向高推重比、高热机效率方向发展，发动机涡轮前燃气进口温度不断攀升，传 统的 6～8wt%氧化钇部分稳定的氧化锆涂层（6～8wt% yttria partially-stabilized zirconia, YSZ）在面 向更高温度使用时由于相变和烧结等致使其抗热震性能下降，迫切需要开发新型的高温热障涂层 （Thermal Barrier Coatings, TBCs ）材料。烧绿石型锆酸钆材料（Gd Zr O ，GZ ）具有高熔点、高温 2 2 7 稳定性好、抗烧结性能优良及热导率低于 YSZ 等优异性能，近年来受到国内外学者的关注，是具有 潜在应用价值的新型热障涂层材料[1]。影响等离子体喷涂TBCs 热循环寿命的因素，如结合层与陶 瓷层之间热膨胀失配、结合层氧化及涂层材料高温蠕变等，均与涂层中残余应力密切相关[2]。因此， 计算预测或实验检测涂层在制备和服役工况条件下产生的应力尤为重要。 涂层的残余应力主要来源于两个方面，即淬火应力和热失配应力[3]。淬火应力是描述涂层沉积 过程中，熔融颗粒沉积、铺展形成的薄片涂层由熔点温度冷却到先期沉积涂层过程中发生相变和状 态变化时产生的应力；热失配应力是指涂层由沉积过程结束后的高温状态冷却到室温时，由于涂层 与基体热膨胀失配所产生的应力。 随着计算机技术的发展，有限元方法在涂层热应力分析方面的应用得到了全面发展。Ranjbar-Far 等[4]通过 ANSYS 模拟计算了 YSZ 涂层在制备和热循环过程中的应力，分析了材料属性（蠕变、塑 性变形等）、基材预热温度、界面粗糙度及 TGO 增厚等因素对应力的影响，并根据应力的变化探讨 了涂层失效过程。Gell 等[5]采用 ABAQUS 模拟计算 YSZ 涂层中的应力分布，从应变能释放的角度 解释涂层的失效机制。 本文采用有限元 ANSYS 软件模拟计算等离子体喷涂 Gd Zr O 涂层在热循环过程中产生的残余 2 2 7 应力，着重研究热生长氧化层（TGO ）的厚度和陶瓷层/结合层界面的粗糙度等因素对涂层应力的影 响，探讨残余应力与微裂纹的萌生、扩展及涂层失效之间的关系，并与涂层试样的热震试验结果相 验证。 ① 本文通讯联系人：陶顺衍（1969-，男，博士，研究员. E-mail: sytao@mail.sic.ac.cn) - 15 - 第十四届国际热喷涂研讨会论文