材料参数、界面孔隙率和粗糙度对热障涂层内应力的有限元模拟研究

发布时间：2017-12-10 14:23

  本文关键词：材料参数、界面孔隙率和粗糙度对热障涂层内应力的有限元模拟研究

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【摘要】：随着现代航空航天的发展,热端部件的使用温度在不断提高,使用环境也越加苛刻,金属的高温氧化问题成为影响热端部件寿命的重要因素。高温氧化是导致热障涂层失效的主要因素,在服役过程中的热生长氧化层(TGO)会产生内应力,其积累会导致裂纹的产生及扩展。但是目前对上述过程只能从样品瞬间常温微观形貌进行分析,对氧化过程中的内应力在涂层中的具体变化无法动态的测量分析。同时由于涂层表面复杂的界面形貌,内应力及裂纹的动态观测也不现实,所以,需要用大型的专业有限元软件进行模拟计算。本论文以大气等离子制备的热障涂层为主要研究对象,采用有限元软件ANSYS Workbench来模拟计算,系统的分析研究了界面粗糙度和孔隙率、孔的大小及分布对热障涂层残余应力的影响。运用建模软件UG8.0建立热障涂层模型,包括粘结层、热生长氧化层及陶瓷层。通过改变材料的物性参数及界面参数(振幅和波长),来研究二者对应力场分布的影响,模拟结果显示：通过改变粘结层、陶瓷层和氧化层的材料参数(热膨胀系数、弹性模量、塑性性能),可以得到各层之间不同的应力分布。低的热膨胀系数产生的应力较大,这就为氧化层与粘结层界面处拉应力的形成提供必要条件,并对裂纹的生长提供了源头。增加陶瓷层杨氏模量,其材料发生变形的应力也会增加,最后导致刚度的增加。随着曲率减小,椭圆逐渐变为扁平,应力值在减小。半椭圆界面唯一的缺点就是拉应力在氧化层生长并扩展。在界面粗糙度的基础上,改变粘结层的孔隙率、孔隙的大小及位置,模拟结果显示：形状相同,孔隙率不同,随着孔隙率的增加,峰值应力呈现减小的趋势。但是,当孔隙率增加到一定程度时(14%),峰值应力会下降。不同形貌和孔隙率对应力的影响显示,随着孔隙率的增加,椭圆和半圆的峰值处应力在减小,正弦界面形貌的峰值应力在递增,这就在以后的制备热障涂层中,尽量出现椭圆形的界面形貌,最后通过实验验证了几何形貌与孔隙率对涂层应力的影响,模拟结果与实验相吻合。
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG174.4

【参考文献】

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本文编号：1274791