结构参数对等离子喷涂Mo/8YSZ功能梯度热障涂层残余应力的影响
发布时间：2021-01-31 08:56
为了突破传统Mo/8YSZ双层热障涂层高温易剥落的技术瓶颈,利用ANSYS有限元软件建立等离子喷涂Mo/8YSZ功能梯度热障涂层的数值模型,考虑材料热物性参数随温度的变化情况,研究基体、黏结层及陶瓷层的厚度参数对涂层残余应力的影响。结果表明:随着基体厚度的增加,喷涂构件的最大径向残余拉应力和最大径向残余压应力均减小;随着黏结层、过渡层和陶瓷层厚度的增加,最大径向残余拉应力增大,最大径向残余压应力减小;残余压应力为轴向的主要残余应力形式,随着基体厚度的增加,最大轴向残余压应力减小,随着黏结层或过渡层厚度的增加,最大轴向残余压应力增大,然而陶瓷层厚度的变化对最大轴向残余压应力的影响并不明显;改变黏结层厚度对基体与涂层界面残余压应力的影响更为明显;基体的厚度在一定范围内对基体与涂层界面残余应力有影响,当基体厚度增加至12 mm时,随着基体厚度的增加,径向残余应力变化不明显;随着基体厚度的增加,应力突变点及应力形式的转变点逐渐过渡到基体与涂层交界边缘的上方区域,随着黏结层、过渡层或陶瓷层厚度的增加,应力突变点及应力形式的转变点逐渐过渡到基体与涂层交界中心的下方区域。通过设计功能梯度热障涂层,并...
【文章来源】：航空材料学报. 2020,40(06)北大核心
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
物理模型
图2给出了等离子喷涂制备功能梯度热障涂层的有限元（FE）模型。如图2所示，由于存在多种涂层组元，故在FE模型中，采用不同颜色的单元加以区分表示，在ANSYS仿真软件中，选用PLANE13四边形四节点热-力耦合线性2D单元，建立基体表面等离子喷涂功能梯度热障涂层有限元模型，在等离子喷涂过程中和喷涂结束后的冷却过程中，由于不同涂层组元的界面及涂层与基材的界面均存在一定程度的应力集中情况，因此为了获得更真实的计算结果，需将这些区域的网格做加密处理，网格尺寸为25μm，其他区域的网格无须加密，网格尺寸为0.2 mm。借助ANSYS仿真软件强大的“生死单元”功能，将涂层设定为“死”单元，基体设定为“活”单元，依据“增层模型”模拟涂层单层沉积的过程，其中单层沉积的涂层厚度为50μm。此外为了提高计算效率，在确保主要计算对象的有效性外，需做出相关假设[18-19]:(1）喷枪的有效喷涂区域覆盖喷涂构件上表面；（2）不同的涂层组元及涂层与基材均结合紧密；（3）忽略涂层内部的微孔隙及氧化带缺陷。1.3 功能梯度热障涂层的残余应力构成
图3给出了不同结构参数喷涂构件的最大残余应力，（+）”表示残余拉应力，“（-）”表示残余压应力。由图3可看出三种残余应力的变化规律：（1）径向残余应力。随着基体厚度的增加，喷涂构件的最大径向残余拉应力和最大径向残余压应力均减小，说明增加基体厚度可降低在径向残余拉应力作用下涂层内部桥状裂纹的萌生概率和在径向残余压应力作用下产生的涂层翘曲缺陷[]19；随着黏结层、过渡层和陶瓷层厚度的增加，喷涂构件的最大径向残余拉应力增大，最大径向残余压应力减小，其中残余拉应力的增加是由于熔滴在沉积冷凝的过程中表面收缩，基体或已沉积的涂层对熔滴产生了拉应力的作用。涂层厚度增加的过程，也是粉末熔滴不断沉积、冷凝和收缩的过程，这就造成了残余拉应力的不断增加，随着残余拉应力的增大，会进一步增加涂层内部垂直于界面桥状裂纹缺陷的产生概率；随着残余压应力的减小，可减少涂层内部分层及翘曲缺陷的产生[]19；当改变黏结层厚度时，在喷涂构件内部，径向残余拉应力为主要径向残余应力形式，说明增加黏结层厚度会使得垂直于基体与涂层界面的桥状裂纹成为导致涂层失效剥离的主要缺陷形式，然而改变过渡层或陶瓷层厚度时，在喷涂构件内部，径向残余压应力为主要径向残余应力形式，说明增加过渡层或陶瓷层厚度会使得涂层翘曲成为涂层失效的主要缺陷形式。（2）轴向残余应力。随着基体、黏结层、过渡层和陶瓷层厚度的增加，最大轴向残余拉应力增大，但轴向残余压应力仍为主要的残余应力形式，随着基体厚度的增加，最大轴向残余压应力减小；随着黏结层和过渡层厚度的增加，最大轴向残余压应力增大；随着陶瓷层厚度的增加，最大轴向残余压应力变化不明显，说明增加基体厚度会降低涂层分层失效的概率，而增加黏结层或过渡层厚度，会使得涂层内部产生过大的应力集中。对比发现，改变陶瓷层厚度对喷涂构件轴向残余压应力的影响并不明显。（3）残余剪切应力。改变黏结层、过渡层或陶瓷层厚度对残余剪切应力的影响并不明显，而增加基体厚度会在一定区间范围内降低残余拉应力，当基体厚度增加至12 mm时，随着基体厚度的增加残余拉应力变化不明显。图4给出了不同结构参数下Path 1径向残余应力的变化曲线，正值为拉应力，负值为压应力。对比图4(a）～图4(d）发现，基体与涂层界面的残余应力经历了由残余压应力到残余拉应力的转变过程，且不同结构参数对应残余应力的分布区间不同：随着基体厚度的增加，残余压应力的分布区间增大，残余拉应力的分布区间减小，且应力形式的转变点逐渐向界面边缘转移，残余压应力始终为主要残余应力，这种应力形式的转变点附近易萌发微裂纹，在轴向残余压应力的作用下，裂纹极易扩展形成贯穿裂纹，最终造成涂层的剥离失效，说明增加基体厚度会使得界面缺陷的萌生位置向涂层边缘靠近；随着黏结层、过渡层或陶瓷层厚度的增加，残余压应力的分布区间减小，残余拉应力的分布区间增大，且应力形式的转变点逐渐远离界面边缘，说明增加涂层厚度会导致涂层的失效位置向中心区域转移；改变黏结层厚度对基体与涂层界面残余压应力的影响更为明显，当黏结层厚度为0.6～0.8mm时，界面残余拉应力为主要残余应力形式，在残余拉应力的作用下，涂层易产生垂直于界面的桥状裂纹，这种裂纹会导致涂层开裂，但不会形成贯穿裂纹，相对于平行于界面的层状裂纹而言更为安全。观察图4(a）发现，在0～5.5 mm的路径范围内，随着基体厚度的增加，在路径同一位置，喷涂构件最大残余压应力呈现“减小-增大”的变化趋势，在距离涂层中心5.5 mm处，基体厚度对涂层残余应力的影响规律发生了转变，在5.5～9 mm的路径范围内，随着基体厚度的增加，在路径同一位置，最大残余压应力增大，观察图4(b）～图4(d）发现，随着黏结层、过渡层或陶瓷层厚度的增加，界面的最大残余压应力减小；在距离涂层边缘0.5 mm处，存在较大的应力突变，且伴随着基体厚度的增加，应力突变值减小，随着黏结层厚度的增加，应力突变值增大，改变过渡层或陶瓷层厚度对界面应力突变情况影响不明显；基体的厚度在一定范围内影响界面残余应力，当基体厚度增加至12 mm时，厚度的增加对路径径向残余应力的变化影响减小。
【参考文献】：
期刊论文
[1]7A04铝合金/304不锈钢连续驱动摩擦焊及焊后热处理[J]. 冯健,韩靖,张雪梅,戴光泽,韩月娇. 焊接学报. 2018(08)
[2]结构对Sm2Ce2O7-YSZ热障涂层残余应力及热冲击性能的影响[J]. 赵让乾,赵永涛,张红松,李刚,李振军. 中国陶瓷. 2018(05)
[3]等离子喷涂8YSZ涂层在铝熔体作用下热冲击行为的数值模拟[J]. 谢义英,李强. 表面技术. 2018(04)
[4]7A04铝合金应力腐蚀敏感性及裂纹萌生与扩展行为[J]. 杜娟,田辉,陈亚军,王付胜,陈翘楚,褚弘. 材料工程. 2018(04)
[5]基于ANSYS生死单元法的多层等离子喷涂体系仿真[J]. 赵运才,张佳茹,何文. 金属热处理. 2017(12)
[6]Sm2Ce2O7/YSZ功能梯度热障涂层的残余热应力[J]. 张昊明,李振军,桑玮玮,李刚,张红松,晁明举. 表面技术. 2017(09)
[7]Sm2Ce2O7/8YSZ热障涂层残余热应力及隔热性能计算机模拟[J]. 文政颖,时蕾,陈晓鸽,张红松. 中国陶瓷. 2015(08)
[8]7A04-T6铝合金水下搅拌摩擦焊接接头的组织和性能[J]. 徐瑞琦,王文,郝亚鑫,乔柯,李天麒,王快社. 航空材料学报. 2015(04)
[9]6013铝合金平面热压缩流变应力曲线修正与本构方程[J]. 肖罡,李落星,叶拓. 中国有色金属学报. 2014(05)
[10]7A04铝合金热变形过程微观组织演变[J]. 肖艳红,郭成,郭小艳. 塑性工程学报. 2012(03)
博士论文
[1]航空铝合金残余应力消除及评估技术研究[D]. 王秋成.浙江大学 2003
硕士论文
[1]氧化锆陶瓷室温压入力学行为研究[D]. 孙瑞敬.太原理工大学 2016
[2]等离子喷涂8YSZ热障涂层力学性能与断裂行为研究[D]. 王腾.福州大学 2016
[3]超音速火焰喷涂铁基非晶涂层热应力数值模拟[D]. 郭崇波.南昌航空大学 2015
[4]8YSZ热障涂层隔热性能及热冲击性能的数值研究[D]. 凌锡祥.上海交通大学 2015
[5]热障涂层残余应力测定和预处理工艺对热生长氧化物的影响[D]. 刘彻.天津大学 2014
[6]等离子喷涂8YSZ热障涂层沉积过程累积应力的数值模拟[D]. 田甜.福州大学 2013
[7]快速凝固技术中激冷辊材的热疲劳性能研究[D]. 鲁帅.北京有色金属研究总院 2012
[8]等离子喷涂HA涂层残余应力的研究[D]. 郭天旭.北京工业大学 2010
[9]等离子喷涂纳米结构热障涂层组织结构与残余应力分析[D]. 王亮.哈尔滨工业大学 2008
[10]热喷涂涂层中应力研究与分析[D]. 罗瑞强.武汉理工大学 2008
本文编号：3010569
【文章来源】：航空材料学报. 2020,40(06)北大核心
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
物理模型
图2给出了等离子喷涂制备功能梯度热障涂层的有限元（FE）模型。如图2所示，由于存在多种涂层组元，故在FE模型中，采用不同颜色的单元加以区分表示，在ANSYS仿真软件中，选用PLANE13四边形四节点热-力耦合线性2D单元，建立基体表面等离子喷涂功能梯度热障涂层有限元模型，在等离子喷涂过程中和喷涂结束后的冷却过程中，由于不同涂层组元的界面及涂层与基材的界面均存在一定程度的应力集中情况，因此为了获得更真实的计算结果，需将这些区域的网格做加密处理，网格尺寸为25μm，其他区域的网格无须加密，网格尺寸为0.2 mm。借助ANSYS仿真软件强大的“生死单元”功能，将涂层设定为“死”单元，基体设定为“活”单元，依据“增层模型”模拟涂层单层沉积的过程，其中单层沉积的涂层厚度为50μm。此外为了提高计算效率，在确保主要计算对象的有效性外，需做出相关假设[18-19]:(1）喷枪的有效喷涂区域覆盖喷涂构件上表面；（2）不同的涂层组元及涂层与基材均结合紧密；（3）忽略涂层内部的微孔隙及氧化带缺陷。1.3 功能梯度热障涂层的残余应力构成
图3给出了不同结构参数喷涂构件的最大残余应力，（+）”表示残余拉应力，“（-）”表示残余压应力。由图3可看出三种残余应力的变化规律：（1）径向残余应力。随着基体厚度的增加，喷涂构件的最大径向残余拉应力和最大径向残余压应力均减小，说明增加基体厚度可降低在径向残余拉应力作用下涂层内部桥状裂纹的萌生概率和在径向残余压应力作用下产生的涂层翘曲缺陷[]19；随着黏结层、过渡层和陶瓷层厚度的增加，喷涂构件的最大径向残余拉应力增大，最大径向残余压应力减小，其中残余拉应力的增加是由于熔滴在沉积冷凝的过程中表面收缩，基体或已沉积的涂层对熔滴产生了拉应力的作用。涂层厚度增加的过程，也是粉末熔滴不断沉积、冷凝和收缩的过程，这就造成了残余拉应力的不断增加，随着残余拉应力的增大，会进一步增加涂层内部垂直于界面桥状裂纹缺陷的产生概率；随着残余压应力的减小，可减少涂层内部分层及翘曲缺陷的产生[]19；当改变黏结层厚度时，在喷涂构件内部，径向残余拉应力为主要径向残余应力形式，说明增加黏结层厚度会使得垂直于基体与涂层界面的桥状裂纹成为导致涂层失效剥离的主要缺陷形式，然而改变过渡层或陶瓷层厚度时，在喷涂构件内部，径向残余压应力为主要径向残余应力形式，说明增加过渡层或陶瓷层厚度会使得涂层翘曲成为涂层失效的主要缺陷形式。（2）轴向残余应力。随着基体、黏结层、过渡层和陶瓷层厚度的增加，最大轴向残余拉应力增大，但轴向残余压应力仍为主要的残余应力形式，随着基体厚度的增加，最大轴向残余压应力减小；随着黏结层和过渡层厚度的增加，最大轴向残余压应力增大；随着陶瓷层厚度的增加，最大轴向残余压应力变化不明显，说明增加基体厚度会降低涂层分层失效的概率，而增加黏结层或过渡层厚度，会使得涂层内部产生过大的应力集中。对比发现，改变陶瓷层厚度对喷涂构件轴向残余压应力的影响并不明显。（3）残余剪切应力。改变黏结层、过渡层或陶瓷层厚度对残余剪切应力的影响并不明显，而增加基体厚度会在一定区间范围内降低残余拉应力，当基体厚度增加至12 mm时，随着基体厚度的增加残余拉应力变化不明显。图4给出了不同结构参数下Path 1径向残余应力的变化曲线，正值为拉应力，负值为压应力。对比图4(a）～图4(d）发现，基体与涂层界面的残余应力经历了由残余压应力到残余拉应力的转变过程，且不同结构参数对应残余应力的分布区间不同：随着基体厚度的增加，残余压应力的分布区间增大，残余拉应力的分布区间减小，且应力形式的转变点逐渐向界面边缘转移，残余压应力始终为主要残余应力，这种应力形式的转变点附近易萌发微裂纹，在轴向残余压应力的作用下，裂纹极易扩展形成贯穿裂纹，最终造成涂层的剥离失效，说明增加基体厚度会使得界面缺陷的萌生位置向涂层边缘靠近；随着黏结层、过渡层或陶瓷层厚度的增加，残余压应力的分布区间减小，残余拉应力的分布区间增大，且应力形式的转变点逐渐远离界面边缘，说明增加涂层厚度会导致涂层的失效位置向中心区域转移；改变黏结层厚度对基体与涂层界面残余压应力的影响更为明显，当黏结层厚度为0.6～0.8mm时，界面残余拉应力为主要残余应力形式，在残余拉应力的作用下，涂层易产生垂直于界面的桥状裂纹，这种裂纹会导致涂层开裂，但不会形成贯穿裂纹，相对于平行于界面的层状裂纹而言更为安全。观察图4(a）发现，在0～5.5 mm的路径范围内，随着基体厚度的增加，在路径同一位置，喷涂构件最大残余压应力呈现“减小-增大”的变化趋势，在距离涂层中心5.5 mm处，基体厚度对涂层残余应力的影响规律发生了转变，在5.5～9 mm的路径范围内，随着基体厚度的增加，在路径同一位置，最大残余压应力增大，观察图4(b）～图4(d）发现，随着黏结层、过渡层或陶瓷层厚度的增加，界面的最大残余压应力减小；在距离涂层边缘0.5 mm处，存在较大的应力突变，且伴随着基体厚度的增加，应力突变值减小，随着黏结层厚度的增加，应力突变值增大，改变过渡层或陶瓷层厚度对界面应力突变情况影响不明显；基体的厚度在一定范围内影响界面残余应力，当基体厚度增加至12 mm时，厚度的增加对路径径向残余应力的变化影响减小。
【参考文献】：
期刊论文
[1]7A04铝合金/304不锈钢连续驱动摩擦焊及焊后热处理[J]. 冯健,韩靖,张雪梅,戴光泽,韩月娇. 焊接学报. 2018(08)
[2]结构对Sm2Ce2O7-YSZ热障涂层残余应力及热冲击性能的影响[J]. 赵让乾,赵永涛,张红松,李刚,李振军. 中国陶瓷. 2018(05)
[3]等离子喷涂8YSZ涂层在铝熔体作用下热冲击行为的数值模拟[J]. 谢义英,李强. 表面技术. 2018(04)
[4]7A04铝合金应力腐蚀敏感性及裂纹萌生与扩展行为[J]. 杜娟,田辉,陈亚军,王付胜,陈翘楚,褚弘. 材料工程. 2018(04)
[5]基于ANSYS生死单元法的多层等离子喷涂体系仿真[J]. 赵运才,张佳茹,何文. 金属热处理. 2017(12)
[6]Sm2Ce2O7/YSZ功能梯度热障涂层的残余热应力[J]. 张昊明,李振军,桑玮玮,李刚,张红松,晁明举. 表面技术. 2017(09)
[7]Sm2Ce2O7/8YSZ热障涂层残余热应力及隔热性能计算机模拟[J]. 文政颖,时蕾,陈晓鸽,张红松. 中国陶瓷. 2015(08)
[8]7A04-T6铝合金水下搅拌摩擦焊接接头的组织和性能[J]. 徐瑞琦,王文,郝亚鑫,乔柯,李天麒,王快社. 航空材料学报. 2015(04)
[9]6013铝合金平面热压缩流变应力曲线修正与本构方程[J]. 肖罡,李落星,叶拓. 中国有色金属学报. 2014(05)
[10]7A04铝合金热变形过程微观组织演变[J]. 肖艳红,郭成,郭小艳. 塑性工程学报. 2012(03)
博士论文
[1]航空铝合金残余应力消除及评估技术研究[D]. 王秋成.浙江大学 2003
硕士论文
[1]氧化锆陶瓷室温压入力学行为研究[D]. 孙瑞敬.太原理工大学 2016
[2]等离子喷涂8YSZ热障涂层力学性能与断裂行为研究[D]. 王腾.福州大学 2016
[3]超音速火焰喷涂铁基非晶涂层热应力数值模拟[D]. 郭崇波.南昌航空大学 2015
[4]8YSZ热障涂层隔热性能及热冲击性能的数值研究[D]. 凌锡祥.上海交通大学 2015
[5]热障涂层残余应力测定和预处理工艺对热生长氧化物的影响[D]. 刘彻.天津大学 2014
[6]等离子喷涂8YSZ热障涂层沉积过程累积应力的数值模拟[D]. 田甜.福州大学 2013
[7]快速凝固技术中激冷辊材的热疲劳性能研究[D]. 鲁帅.北京有色金属研究总院 2012
[8]等离子喷涂HA涂层残余应力的研究[D]. 郭天旭.北京工业大学 2010
[9]等离子喷涂纳米结构热障涂层组织结构与残余应力分析[D]. 王亮.哈尔滨工业大学 2008
[10]热喷涂涂层中应力研究与分析[D]. 罗瑞强.武汉理工大学 2008
本文编号：3010569
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