基于三维微观结构模型的热障涂层性能预测及失效机理分析

发布时间：2017-05-21 12:25

  本文关键词：基于三维微观结构模型的热障涂层性能预测及失效机理分析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：热障涂层作为一种极具潜力的表面防护材料,在航空航天领域有着广阔的应用前景。然而,由于热障涂层自身结构及实际服役环境的复杂性,使得基于三维真实结构对涂层性能进行准确、可靠的预测十分困难。为了解决这一技术难题,本文以典型等离子喷涂工艺制备的热障涂层为研究对象,突破传统二维模型或界面简化模型的局限,综合利用Micro-CT三维断层扫描技术和有限元网格剖分技术,成功构建了基于热障涂层真实微观组织的三维有限元模型,首次实现了对涂层在拉伸和热循环载荷作用下裂纹在三维空间内萌生、扩展直至涂层最终失效过程的实时跟踪,并对其内在失效机理进行了深入的探究。建立了一种基于热障涂层真实微观组织的三维有限元模型生成方法。将Micro-CT三维断层扫描技术应用到涂层内部显微结构信息的获取上,并利用Simpleware软件对涂层的切片数据进行处理,重构出反映实际涂层显微结构特征的三维图像模型,在此基础上采用有限元网格剖分技术,成功地生成了基于热障涂层微观组织的三维有限元模型。该模型能够真实地反映出实际涂层内部的界面形貌以及孔隙分布特征,其陶瓷孔隙率为9.48%,与涂层截面显微组织SEM照片的统计结果十分接近,该建模方法为实现从涂层三维组织特征到涂层性能的计算及预测提供了可靠的支撑。基于热障涂层微观组织三维有限元模型,充分考虑涂层内部真实界面形貌以及孔隙、裂纹等缺陷的分布特征,对涂层的拉伸结合强度以及失效断裂位置进行预测,并与相关的试验结果进行了定量的比对。模拟结果显示,涂层的断裂位置位于陶瓷层与粘结层的界面处或界面附近的陶瓷层中,拉伸断面最高点与最低点之间的垂直距离为24.5μm,与三维景深测量仪对涂层断面波峰与波谷间高度差的测量结果20~35μm相吻合;通过内能塌陷时刻所对应的外加载荷最终确定出涂层的拉伸结合强度为44.4MPa,与44.78MPa的试验结果十分接近。此外,通过数值模拟将试验无法观察到的拉伸载荷作用下裂纹在三维空间内的萌生、扩展直至最终断裂的过程实时地再现出来,并对其失效机理进行了深入的分析。研究发现,当加载至40s时,陶瓷层局部的应力集中诱发两种类型的裂纹源,分别位于陶瓷层与粘结层界面附近以及陶瓷孔隙的边界;当加载至44.4s时,只有界面附近的裂纹源扩展并合并成一条主裂纹;随着加载的进行,在裂纹尖端垂直方向拉应力的作用下,主裂纹沿界面方向快速扩展,最终在陶瓷层与粘结层界面附近形成起伏状的涂层拉伸断面。根据涂层热循环试验建立了TGO的生长动力学曲线,并结合陶瓷层与粘结层界面真实的形貌特征生成了可实现TGO生长的三维有限元模型,在此基础上,将导致涂层循环失效的TGO相变、陶瓷层烧结以及各层材料蠕变等多种因素引入到涂层热循环过程的有限元计算中,首次实现了裂纹在涂层三维空间内萌生、扩展以及合并过程的模拟。模拟结果发现,涂层开裂前后,陶瓷层界面处会发生应力的反演:在给定条件下的热循环初期,陶瓷层界面波峰为拉应力状态,波谷为压应力状态;当循环至51次时,裂纹开始在波峰附近萌生并将波峰处的应力释放,新的应力集中出现在裂纹的尖端,随着裂纹的不断扩展,拉应力区由波峰逐渐向波谷转移;第516次循环以后,陶瓷层界面波峰变为压应力状态,而波谷变成拉应力状态,临近波峰萌生的微裂纹在波谷附近连接、合并。进一步研究发现,在热循环初期,陶瓷层最大主应力峰值的增速较快,诱发大量微裂纹的萌生,裂纹的生长速率最高,约为10~20μm3/min;热循环中期,陶瓷层应力峰值的增速开始减慢,相应地裂纹的生长速率也有所降低,由10.9μm3/min逐渐降至3.07μm3/min;在热循环后期,陶瓷层的应力峰值略有下降,裂纹的生长速率低于2μm3/min且基本保持不变。
【关键词】：热障涂层 三维微观结构 数值模拟 裂纹 失效机理
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG174.4
【目录】：

• 摘要5-7
• abstract7-12
• 第1章 绪论12-21
• 1.1 引言12-13
• 1.2 热障涂层及其发展现状13-16
• 1.2.1 热障涂层的概念与结构13
• 1.2.2 热障涂层的制备方法13-14
• 1.2.3 热障涂层的失效机制14-16
• 1.2.4 热障涂层的性能评价方法16
• 1.3 有限元方法在热障涂层研究中的应用现状16-20
• 1.3.1 涂层有限元模型的构建17
• 1.3.2 涂层拉伸失效的研究17-18
• 1.3.3 涂层热循环失效的研究18-20
• 1.4 本文的选题依据与研究内容20-21
• 第2章 基于热障涂层微观组织的三维模型构建21-31
• 2.1 引言21
• 2.2 Micro-CT成像原理及系统组成21-25
• 2.2.1 Micro-CT的成像原理21-22
• 2.2.2 Feldkamp重建算法22-24
• 2.2.3 Micro-CT的系统组成24-25
• 2.3 基于热障涂层微观组织的三维模型构建25-30
• 2.3.1 涂层材料及扫描样品制备25-27
• 2.3.2 Micro-CT三维断层扫描27-28
• 2.3.3 三维微观组织有限元模型的生成28-30
• 2.4 本章小结30-31
• 第3章 拉伸条件下热障涂层的性能预测及失效机理分析31-41
• 3.1 引言31
• 3.2 涂层拉伸试验31-34
• 3.2.1 涂层样品制备31
• 3.2.2 涂层拉伸结合强度的测定31-33
• 3.2.3 涂层拉伸失效位置33-34
• 3.3 涂层拉伸数值模拟方法34-35
• 3.3.1 载荷施加与边界条件34-35
• 3.3.2 材料性能参数与失效判据35
• 3.4 数值模拟结果与讨论35-40
• 3.4.1 模拟结果与试验结果的对比35-37
• 3.4.2 涂层失效过程及机理分析37-40
• 3.5 本章小结40-41
• 第4章 热循环条件下热障涂层的性能预测及失效机理分析41-57
• 4.1 引言41
• 4.2 涂层热循环试验41-44
• 4.2.1 涂层样品制备及试验条件41-42
• 4.2.2 氧化机制与TGO生长动力学曲线42-44
• 4.3 涂层热循环数值模拟方法44-51
• 4.3.1 基于热障涂层微观组织的TGO生长模型44-45
• 4.3.2 材料模型及性能参数45-49
• 4.3.3 失效判据49
• 4.3.4 边界条件49
• 4.3.5 多因素耦合计算方法49-51
• 4.4 数值模拟结果与讨论51-56
• 4.4.1 裂纹的萌生51-52
• 4.4.2 裂纹的扩展52-54
• 4.4.3 裂纹的连接、合并54-56
• 4.5 本章小结56-57
• 结论57-59
• 参考文献59-68
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单68-69
• 致谢69

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本文编号：383667