YSZ皮秒激光打孔材料损伤机制与综合质量控制研究
发布时间：2021-08-27 11:43
钇稳定氧化锆（YSZ）作为热障涂层材料被广泛地应用在涡轮叶片制造中,由于YSZ材料在加工过程中易产生材料损伤,因此对气膜孔的激光加工提出了挑战。皮秒激光由于其加工热效应小、对材料无选择性等特点,成为了近年来气膜孔加工领域的研究热点。为了探究皮秒激光加工YSZ材料的损伤机制与综合质量评价,本文开展了以下几方面的研究工作。首先,以YSZ材料的相变特性为切入点,通过材料力学性能的变化以及裂纹产生情况,研究皮秒激光加工YSZ材料的损伤行为,分析不同打孔环境对YSZ材料损伤的影响规律,从而获得最佳皮秒激光打孔的加工环境;然后,建立YSZ材料皮秒激光打孔仿真模型,通过计算温度场结果,获得相变分布规律,获得相变应力-裂纹的评价关系,揭示皮秒激光加工YSZ材料的损伤机制;最后,以控制微孔损伤为前提,对打孔几何质量进行综合优化,从而获得兼顾损伤控制和几何精度的激光加工工艺方法。通过本文对于皮秒激光加工工艺的研究,选择水下打孔环境,在厚度为0.5mm的3mol%YSZ片上加工出直径为400μm的微孔,孔锥度为0.55°,入口、出口圆度误差≤6%,孔周围未观测到裂纹产生。同时,将此研究成果应用于热障涂层材料...
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
热障涂层的组成结构
慵?娜日贤坎阒票钙毡椴捎么朔椒╗5]。1.2.2钇稳定氧化锆材料热障涂层的主要成分氧化锆陶瓷属于一种新型陶瓷材料，其具有十分优异的物理、化学性能，不仅在科研领域已经成为研究热点，而且在工业生产中也得到了广泛的应用，是耐火材料、高温结构材料的重要原料。在各种金属氧化物陶瓷材料中，氧化锆的高温热稳定性、隔热性能最好，最适宜做陶瓷涂层和高温耐火制品；同时其良好的机械性能和热物理性能，使它能够成为金属基复合材料中性能优异的增强相。目前在各种金属氧化物陶瓷中，氧化锆的重要作用仅次于氧化铝[6]。图1-2氧化锆的三种相及转变温度Fig.1-2Thethreephasesofzirconiawiththeirtransformationtemperatures如图1-2所示，自然状态下的固体氧化锆(ZrO2)随温度变化，共具有3种相：单斜相、四方相和立方相，常温的氧化锆以单斜相存在。然而单斜相导热系数低和韧性差，限制了它的应用范围；并且当发生单斜向四方转变时，材料会伴随着明显形变和体积收缩(约4％～8％)[7]。相比之下，四方相和立方相的机械性能和热物理性能会有着显著的提升。为了能够获得常温状态下的四方相或立方相氧化锆，通过在纯氧化锆中掺入一定量氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)或氧化钇(Y2O3)等作为稳定剂，使之形成不可逆转变的室温四方相或立方相。通过这样方法制备的氧化锆材料也被称为亚稳态氧化锆，并根据掺入的稳定剂而命名，广泛应用于热障涂层中的钇稳定氧化锆(YSZ)，就是掺入氧化钇作为稳定剂[8]。在热障涂层的实际服役过程中，由于受到长时间高温、高压、高速、强腐蚀条件的作用，最先发生失效的往往是陶瓷层，失效形式集中表现为陶瓷层的剥落、碎裂，这与陶瓷层的制备工艺以及气膜孔的加工质量密切相关。由于YSZ自身2
上海交通大学硕士学位论文的脆硬特性，极易在制备和气膜孔加工中产生微裂纹缺陷，这些裂纹会在服役过程中迅速扩展、联结，最终造成涂层破坏、部件失效，直接影响了服役寿命[9]；同时在气膜孔加工过程中，YSZ会在高温、冲击等作用下，使得原本的四方相稳定性被破坏，重新转变生成单斜相，对材料的性能产生显著影响，从而造成材料损伤[10,11]。因此，如何控制YSZ材料在气膜孔加工过程中的材料损伤，成为提升带热障涂层涡轮叶片性能的重要问题。1.3脆硬材料激光打孔如图1-3所示为带有热障涂层的涡轮静、动叶片，可以看到，叶片表面均分布有大量的气膜冷却孔，其主要分布于叶片前缘、叶身型面，孔径一般在0.2mm-1mm，同时空间角度复杂，单片叶片孔数量即可达成百上千。图1-3带热障涂层的涡轮叶片Fig.1-3TurbinebladeswithTBC目前主要的微孔加工工艺有传统的钻削加工、电火花加工、电解加工、激光加工以及它们之间的复合加工方法等。其中电火花加工和电解加工只能针对导电材料，对于陶瓷这样的绝缘材料无法加工；而对于钻削加工，由于刀具与零件之间会产生巨大的钻削力以及热效应，极易使涂层脱落、碎裂，同时钻削微孔对于钻头的质量要求极高，加工非常困难。一般来说，一台航空发动机上需加工105个气膜冷却孔，这也对加工效率和实现自动化提出了较高的要求[12]。目前，激光制孔是加工冷却气膜孔道实现气膜冷却的主要方法之一，并且激光制孔技术可以实现陶瓷层的加工[13]。1.3.1超快激光加工随着激光技术以及设备的发展，激光脉冲持续时间不断向着超短化发展，短脉冲及超短脉冲激光技术日渐成熟，目前已经从纳秒(10-9s)量级提升至皮秒(10-12s)量级乃至飞秒(10-l5s)量级。超短脉冲激光具有以下两个特点：脉冲持续时间极短，峰值功率极高。由
【参考文献】：
期刊论文
[1]C/SiC复合材料的动态力学性能及微观结构分析[J]. 邵彬彬,徐颖,许维伟,郑志涛. 材料科学与工程学报. 2016(04)
[2]高温合金皮秒激光旋切制孔孔壁特征研究(英文)[J]. 孙瑞峰,张晓兵,曹文斌,巩水利,张晓鹏. 稀有金属材料与工程. 2013(S2)
[3]氧空位对多孔氧化锆光学性质的影响[J]. 欧阳静,宋幸泠,林明跃,邹琚,李晶晶,朱江平,杨华明. 物理化学学报. 2011(12)
[4]涡轮叶片气膜孔加工技术及其发展[J]. 朱海南,齐歆霞. 航空制造技术. 2011(13)
[5]热障涂层的研究现状与发展趋势[J]. 刘纯波,林锋,蒋显亮. 中国有色金属学报. 2007(01)
[6]韧性氧化锆陶瓷的力学性能[J]. 林振汉. 稀有金属快报. 2007(01)
[7]航空发动机涡轮叶片冷却技术综述[J]. 倪萌,朱惠人,裘云,许都纯,刘松龄. 燃气轮机技术. 2005(04)
[8]激光加工涡轮叶片气膜孔的现状及发展趋势[J]. 张晓兵. 应用激光. 2002(02)
[9]A-Y-TZP陶瓷的相变对其热学和力学性能的影响[J]. 张清纯,俞向东. 无机材料学报. 1991(01)
[10]稳定立方氧化锆晶体的色心研究[J]. 洪广言,李红军,李健,付林堂. 人工晶体. 1987(04)
本文编号：3366285
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
热障涂层的组成结构
慵?娜日贤坎阒票钙毡椴捎么朔椒╗5]。1.2.2钇稳定氧化锆材料热障涂层的主要成分氧化锆陶瓷属于一种新型陶瓷材料，其具有十分优异的物理、化学性能，不仅在科研领域已经成为研究热点，而且在工业生产中也得到了广泛的应用，是耐火材料、高温结构材料的重要原料。在各种金属氧化物陶瓷材料中，氧化锆的高温热稳定性、隔热性能最好，最适宜做陶瓷涂层和高温耐火制品；同时其良好的机械性能和热物理性能，使它能够成为金属基复合材料中性能优异的增强相。目前在各种金属氧化物陶瓷中，氧化锆的重要作用仅次于氧化铝[6]。图1-2氧化锆的三种相及转变温度Fig.1-2Thethreephasesofzirconiawiththeirtransformationtemperatures如图1-2所示，自然状态下的固体氧化锆(ZrO2)随温度变化，共具有3种相：单斜相、四方相和立方相，常温的氧化锆以单斜相存在。然而单斜相导热系数低和韧性差，限制了它的应用范围；并且当发生单斜向四方转变时，材料会伴随着明显形变和体积收缩(约4％～8％)[7]。相比之下，四方相和立方相的机械性能和热物理性能会有着显著的提升。为了能够获得常温状态下的四方相或立方相氧化锆，通过在纯氧化锆中掺入一定量氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)或氧化钇(Y2O3)等作为稳定剂，使之形成不可逆转变的室温四方相或立方相。通过这样方法制备的氧化锆材料也被称为亚稳态氧化锆，并根据掺入的稳定剂而命名，广泛应用于热障涂层中的钇稳定氧化锆(YSZ)，就是掺入氧化钇作为稳定剂[8]。在热障涂层的实际服役过程中，由于受到长时间高温、高压、高速、强腐蚀条件的作用，最先发生失效的往往是陶瓷层，失效形式集中表现为陶瓷层的剥落、碎裂，这与陶瓷层的制备工艺以及气膜孔的加工质量密切相关。由于YSZ自身2
上海交通大学硕士学位论文的脆硬特性，极易在制备和气膜孔加工中产生微裂纹缺陷，这些裂纹会在服役过程中迅速扩展、联结，最终造成涂层破坏、部件失效，直接影响了服役寿命[9]；同时在气膜孔加工过程中，YSZ会在高温、冲击等作用下，使得原本的四方相稳定性被破坏，重新转变生成单斜相，对材料的性能产生显著影响，从而造成材料损伤[10,11]。因此，如何控制YSZ材料在气膜孔加工过程中的材料损伤，成为提升带热障涂层涡轮叶片性能的重要问题。1.3脆硬材料激光打孔如图1-3所示为带有热障涂层的涡轮静、动叶片，可以看到，叶片表面均分布有大量的气膜冷却孔，其主要分布于叶片前缘、叶身型面，孔径一般在0.2mm-1mm，同时空间角度复杂，单片叶片孔数量即可达成百上千。图1-3带热障涂层的涡轮叶片Fig.1-3TurbinebladeswithTBC目前主要的微孔加工工艺有传统的钻削加工、电火花加工、电解加工、激光加工以及它们之间的复合加工方法等。其中电火花加工和电解加工只能针对导电材料，对于陶瓷这样的绝缘材料无法加工；而对于钻削加工，由于刀具与零件之间会产生巨大的钻削力以及热效应，极易使涂层脱落、碎裂，同时钻削微孔对于钻头的质量要求极高，加工非常困难。一般来说，一台航空发动机上需加工105个气膜冷却孔，这也对加工效率和实现自动化提出了较高的要求[12]。目前，激光制孔是加工冷却气膜孔道实现气膜冷却的主要方法之一，并且激光制孔技术可以实现陶瓷层的加工[13]。1.3.1超快激光加工随着激光技术以及设备的发展，激光脉冲持续时间不断向着超短化发展，短脉冲及超短脉冲激光技术日渐成熟，目前已经从纳秒(10-9s)量级提升至皮秒(10-12s)量级乃至飞秒(10-l5s)量级。超短脉冲激光具有以下两个特点：脉冲持续时间极短，峰值功率极高。由
【参考文献】：
期刊论文
[1]C/SiC复合材料的动态力学性能及微观结构分析[J]. 邵彬彬,徐颖,许维伟,郑志涛. 材料科学与工程学报. 2016(04)
[2]高温合金皮秒激光旋切制孔孔壁特征研究(英文)[J]. 孙瑞峰,张晓兵,曹文斌,巩水利,张晓鹏. 稀有金属材料与工程. 2013(S2)
[3]氧空位对多孔氧化锆光学性质的影响[J]. 欧阳静,宋幸泠,林明跃,邹琚,李晶晶,朱江平,杨华明. 物理化学学报. 2011(12)
[4]涡轮叶片气膜孔加工技术及其发展[J]. 朱海南,齐歆霞. 航空制造技术. 2011(13)
[5]热障涂层的研究现状与发展趋势[J]. 刘纯波,林锋,蒋显亮. 中国有色金属学报. 2007(01)
[6]韧性氧化锆陶瓷的力学性能[J]. 林振汉. 稀有金属快报. 2007(01)
[7]航空发动机涡轮叶片冷却技术综述[J]. 倪萌,朱惠人,裘云,许都纯,刘松龄. 燃气轮机技术. 2005(04)
[8]激光加工涡轮叶片气膜孔的现状及发展趋势[J]. 张晓兵. 应用激光. 2002(02)
[9]A-Y-TZP陶瓷的相变对其热学和力学性能的影响[J]. 张清纯,俞向东. 无机材料学报. 1991(01)
[10]稳定立方氧化锆晶体的色心研究[J]. 洪广言,李红军,李健,付林堂. 人工晶体. 1987(04)
本文编号：3366285
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