基于单颗粒冲蚀的EB-PVD热障涂层失效机制的有限元分析

发布时间：2020-11-09 00:18

　　热障涂层(Thermal barrier coatings,简称TBCs)因其耐热,抗氧化,耐蚀,耐磨性能好而被广泛用于航空发动机的热端部件。然而发动机在服役过程中会不可避免的受到来自外部或燃烧室内部硬质颗粒的冲蚀作用,这一作用将会导致涂层提前剥落,影响叶片及发动机的整体性能。冲蚀作用对以物理气相沉积(Electron Beam Physical Vapor Deposition,简称 EB-PVD)法制备的涂层影响更大,因此本文主要对EB-PVD热障涂层的冲蚀问题进行研究。由于影响涂层冲蚀失效的因素有很多,在实验上很难进行研究。为了简化问题,本文利用有限元方法建立了单颗粒冲蚀作用下的EB-PVD热障涂层冲蚀模型,模拟分析了不同影响参数对涂层冲蚀失效的影响,最终建立热障涂层冲蚀破坏机制图并给出热障涂层优化的建议。本文主要研究内容如下:第一,根据EB-PVD热障涂层的结构特征建立ABAQUS有限元模型。根据其真实的结构特征,选用GTN模型来表示柱状晶,低密度泡沫模型来表示晶间间隙。对高温冲蚀下EB-PVD热障涂层产生的典型特征——拐弯带进行分析,结果表明:高温冲蚀下产生的拐弯带,其角度与冲蚀粒子能量之间可以近似拟合为线性关系;其长度与冲蚀能量之间也可以近似拟合为线性关系。第二,根据实验数据拟合的经验准则建立冲蚀失效机制图,从冲蚀粒子参数(冲蚀速度,角度等)和涂层柱状晶参数(如柱状晶宽度,柱状晶材料参数等)两大方面分析涂层的冲蚀结果,并分别建立不同参数影响下的涂层失效机制图。结果表明:冲蚀粒子的速度越大,半径越大,入射角度越大,涂层越容易产生裂纹。角度对涂层开裂的影响是最小的。热障涂层自身的相关参数对于涂层的冲蚀失效也有影响,涂层柱状晶的宽度越小,晶间间隙的宽度越小,越容易产生裂纹。具有较小的杨氏模量和屈服强度的涂层更容易开裂。通过分析涂层的应力场总结出不同情况下的涂层开裂形式,分析对比这些材料参数对涂层抗冲蚀性能的影响。这些都将为热障涂层的工艺优化提供相应的依据。第三,根据可靠性方法,对影响涂层冲蚀失效的相关参数进行验证,并用敏感性分析方法评估了各个参数对热障涂层冲蚀失效的影响。结果表明:冲蚀粒子对涂层的冲蚀失效的影响比涂层内部其他参数影响要大,这与之前在冲蚀失效机制图中得到的结论一致。
【学位单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V231
【部分图文】：

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?这是一个很大程度的进步。燃气轮机涡轮叶片在不同发展过程中的临界使用温度??如图１．１所示［１１］。图中显示，第四代热障涂层所能承受的极限温度较前三代已大??大提尚。??极限温度??，?热障涂层表面??＾?（１６５０°Ｃ）??（Ｔ?１??ＡＴ??ｉ?陶瓷基复合材料??ｍｉｌ?￣?（１３１６?Ｃ）??单晶超合金（１０９３°Ｃ）??一四代??第一代?年代??图ｕ燃气轮机涡轮叶片极限温度的发展示意图［１１］??１．２热障涂层简介??１．２．１热障涂层基本概念??如图１．２所示，热障涂层系统是一种多层结构的系统，通常由基底（Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）、??粘结层（Ｂｏｎｄ?Ｃｏａｔ，简称?ＢＣ）、氧化层（Ｔｈｅｒｍａｌｌｙ?Ｇｒｏｗｎ?Ｏｘｉｄｅ，简称?ＴＧＯ）以及??顶部陶瓷层（Ｃｅｒａｍｉｃ?Ｔｏｐ?Ｃｏａｔ，简称ＴＣ）组成［１２］。??基底合金一般采用耐高温的镍基单晶合金，因为镍基合金具有很好的耐高温、??抗氧化的特性［１３］和较高的机械强度。??金属粘结层的主要作用是缓解陶瓷层和基底之间在温度变化过程中由于热??膨胀系数的差异而产生的不同应力，并防止基体合金的氧化。粘结层位于陶瓷层??与基底之间，缓解陶瓷层与基底之间物理属性的不同，通常采用ＭＣｒＡｌＹ合金（Ｍ??指过渡族金属Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ或ＮｉＣｏ）［１４］和Ｐｔ改性的Ａ１化合物两种

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它们自身由于能量变化会产生强烈的塑性变形，进而形成扁平状的沉积层。??每一粒融滴都有相同的过程，涂层最终是由一层层的扁平粒子堆积而成的。等离??子喷涂的微观形貌如图１．３所示。ＡＰＳ法操作简单，对材料的要求不高，成本低，??成功率高。但是等离子涂层系统结构较为松散，含有较高的孔隙率和尚未完全融??化的颗粒，并有杂质生成，如氧化物等。喷涂过程中，粘结层在空气中未采取任??何保护措施，属于暴露状态，喷涂粒子会不可避免的与等离子电弧中带入的氧化??性气体发生反应，生成氧化物。涂层的抗氧化性能会因此而受到影响，导致涂层??与金属基体的结合力变弱，在冷热循环的作用下，热氧化物会发生生长，涂层会??变得容易剥落［２７］。??等离子气体＋电流水冷阳极??」阴极」?涂严ｊ??绝缘体?粉未１：?Ｌ件」■??图１．３?ＡＰＳ制备方法原理图［２８］及ＡＰＳ涂层微观图??，，＾ＳｓＷＳＭ??蒸汽云??：?．－」??固体材料??图１．４物理气相沉积的工作原理图［２９ｌＳＥＢ－ＰＶＤ涂层微观图??电子束辅助物理气相沉积法是近年来发展最快的表面技术之一。它是利用电??子束聚焦，使得聚焦的局部获得高温，材料置于其中会蒸发、气化，再以分子、??原子的形式沉积。其工作原理图如图１．４（ａ）［２９］。在使用过程中

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