热障涂层循环热生长稳定性-西北工业大学学报导航页.PDF

２０１５年１２月 西 北 工 业 大 学 学 报 Ｄｅｃ． ２０１５ 第３３卷第６期 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｖｏｌ．３３ Ｎｏ．６ 热障涂层循环热生长稳定性 徐颖强，孙戬，李万钟，陈亚亚， 吕凯，许璠 （西北工业大学 机电学院，陕西 西安　 ７１００７２） 摘　 要：循环热载荷下热障涂层（ＴＢＣｓ）界面氧化生长的本质是陶瓷层（ＴＣ）／ 黏接层（ＢＣ）界面间相转 变引起的界面结构和材料组织演化，同时，由于各层材料的热不匹配等因素，直接影响着涂层界面的 应力场和稳定性，而该应力场和稳定性的演化是研究航空热障涂层层裂和剥落失效的关键因素。 考 虑氧化层增厚对应力应变场的影响，利用材料转换的方法实现氧化生长，并运用氧化扩散及弹塑性蠕 变和安定理论，建立了ＴＢＣｓ循环热生长结构稳定性评价方法，基于试验所得氧化层生长规律，通过半 圆形涂层界面模型循环氧化分析，探究了循环热生长对热障涂层应力及稳定性的影响。 结果表明，从 应力应变演化规律判断，ＴＢＣｓ局部稳定性随氧化生长而减弱，从结构应变能进行评价，随着循环氧化 的进行，ＴＢＣｓ表现出不稳定性。 关　 键　 词：蠕变；熵；能量耗散；评估；有限元法；数学模型；残余应力；稳定性；应变能；热障涂层； 张量；氧化生长 中图分类号：ＴＧ１７４４；Ｏ３４１；Ｏ３４６　 　 文献标志码：Ａ　 　 文章编号：１０００⁃２７５８（２０１５）０６⁃０９４９⁃０７ 　 　 热障涂层（ＴＢＣｓ）能够有效提升航空动力设备 性的影响，并指出系统的稳定性主要取决于热循环 热承载能力和热效率，而高温工作条件下，热障涂层 下ＴＧＯ形貌幅值和厚度的变化规律。 同时，Ｒöｓｌｅｒ 的陶瓷层（ＴＣ）和黏接层（ＢＣ）界面间会出现主要成 ［８］ 等 结合界面不平整特点设计了涂层氧化模型并 分为Ａｌ Ｏ 的热生长氧化层（ＴＧＯ），受循环热载荷 进行了仿真分析，从应力和变形的角度探讨了预置 ２ ３ 影响，初始不平整ＴＧＯ 的厚度和幅值逐步增大，加 沟槽半径、热循环速率、蠕变以及氧化生长应变在横 之涂层材料的热不匹配，造成界面区域存在复杂的 向和厚度方向的比例对界面演化和涂层稳定性的影 残余应力应变场，并诱发系统出现不稳定，导致涂层 响，并指出涂层应力状态主要取决于氧化层的生长 ［１］ 界面开裂和剥落失效，影响系统耐久性 。 Ｍｕｍｍ、 和热不匹配造成的失配应力。 显然，热障涂层剥落 ［２⁃５］ Ｅｖａｎｓ、Ｔｏｌｐｙｇｏ和Ｃｌａｒｋｅ等 利用先进的试验测试 失效涉及界面结合形貌、材料性能、高温氧化、蠕变、 手段，研究了冷却速率、基体厚度、界面形貌、氧化时 热循环、初始缺陷演化和稳定性研究等多方面因素， 间等因素对涂层残余应力和失效的影响，并得出 而界面氧化对热障涂层寿命的影响最为显著。 对于 ＴＧＯ厚度方向生长规律满足抛物线生长规律，以及 氧化生长的仿真分析，一方面，以Ｅｖａｎｓ、Ｋａｒｌｓｓｏｎ 和 热循环下ＴＧＯ 氧化生长会诱发 ＴＣ 层中出现微裂 Ｈｕｔｃｈｉｎｓｏｎ为代表的研究团队，将试验得到的ＴＧＯ 纹，微裂纹横向扩展使涂层出现屈曲，进而导致涂层 生长应变分为垂直和平行于界面方向无应力的应变 最终剥落失效等结论。 这些涂层高温氧化试验研究 施加在仿真模型中，这种处理方法简单但仅适用于 为后续稳定性分析提供了良好的研究基础。 Ｅｖａｎｓ、 ［