TGO热生长应力对热障涂层系统失效影响的数值模拟研究

发布时间：2020-03-30 21:16

【摘要】：热障涂层是一种高温保护材料,由于具有耐高温、低热导率和抗高温腐蚀等特性而被广泛应用于航空发动机热端部件的保护。热障涂层系统(TBCs)是由陶瓷层、粘接层、合金基体层和位于粘接层与陶瓷层之间的热生长氧化物层(TGO)组成的。TGO是热障涂层系统在热循环高温阶段产生于陶瓷层和粘接层之间的一层新物质,它的氧化生长会在热障涂层系统内部产生热生长应力。大量研究表明,导致热障涂层系统失效的最主要因素是TGO热生长应力。同时外载荷及TGO高温蠕变会引起TGO热生长应力增大,从而导致TGO发生位移失稳,进而导致TGO层失效剥落,最终导致热障涂层系统失效。以无缺陷的Fecralloy金属矩形薄板为TBCs的理想模型,分析了TGO在热循环过程的应力与应变的产生机理,对其进行了数学表达式的推导与计算;并得到TGO热生长应力的理论计算结果;通过有限元软件ABAQUS模拟了TGO在热循环过程的应力变化,获得了TGO热生长应力的数值模拟结果;将数值模拟结果与理论计算值进行比较;结果表明,理论计算结果与模拟结果具有很好的吻合性,证明了理论分析方法的正确性,为以后热障涂层系统的失效分析以及疲劳寿命的预测提供了参考。TGO的连续氧化生成主要发生在热循环高温阶段。以含凹槽缺陷的Fecralloy金属矩形薄板为模型,对TGO及其应力的产生过程进行了数值模拟;目前所用有限元方法的局限性主要表现在其不能模拟较厚的TGO和不能动态地模拟TGO在高温氧化的形成过程,以及所用的材料模型过于简化等。基于用氧化物的真实生成厚度去代替目前方法中用热膨胀应变来模拟氧化物厚度增加的思想,利用材料属性逐层转化的方法,建立了一种能够真实模拟物理实验现象、可以不受氧化物厚度限制、能够反应真实的材料属性,能够动态模拟TGO在高温氧化过程中逐渐形成变厚的有限元分析方法,利用ABAQUS软件的二次开发功能(UMAT)使得这一目的得以实现。TGO高温蠕变和外载荷对TGO热生长应力具有重要影响,基于含凹槽缺陷的Fecralloy金属矩形薄板为模型,在考虑TGO高温蠕变及外载荷的作用下,对TGO热生长应力的产生过程进行了数值模拟,从TGO热生长应力引起凹槽顶部位移失稳和裂纹拉伸两个方面分析其对热障涂层系统失效的影响。结果表明,在热力循环过程中往往会在凹槽缺陷处产生应力集中而导致该处发生位移失稳现象,而这种位移失稳最严重的区域位于凹槽顶部过渡区域。同时也充分说明蠕变对TGO的位移不稳定性有着明显加重的影响。通过TBCs由无缺陷模型过渡到含有缺陷的实际模型的研究,分析过程由简单的热循环到考虑TGO高温蠕变和外载荷作用的复杂热力循环的递进,对TGO热生长应力的产生过程进行数值模拟,随着考虑因素的增加,TGO热生长应力受到不同的影响,对TBCs的失效影响程度将不同。通过理论分析与数值模拟TGO热生长应力对TBCs失效的影响,得到一些TGO热生长应力的理论和数值模拟方法,可以为TBCs失效的研究提供一定的方法参考。
【图文】：

系统失效,热障涂层,大学教授,美国加州

图 1.2 热障涂层系统失效类型层系统失效的实验研究方面，美国加州大学教授 Tolpygo 和 Clarke 做了重要研，从微观结构分析了 TBCs 的失效现象和机理。测试涂层

氧化生长,机理,合适厚度,材料参数

图 2.1 TGO 氧化生长机理数与材料参数go 等[21]研究结果，，选取 2hm=0.43mm （粘μm）。为了选择合适厚度的 TGO 层，根据 A.G. E7μmoxoxhh
【学位授予单位】：重庆理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V231

【参考文献】