温度梯度下热障涂层残余应力的解析模型研究

发布时间：2021-06-19 17:49

　　热障涂层被广泛应用于航空航天部件,在热载荷作用下材料间所集聚的残余应力是导致其层裂和失效的重要原因。针对热障涂层由于温度梯度产生的热应力不匹配问题,建立了不依赖于材料层数的残余应力分析的解析模型。建立基体-粘结层-陶瓷层的三层平面应变模型,分析了系统内应变、应力的分布情况,研究了温度梯度对层间残余应力的影响。研究了陶瓷层厚度对系统各层表面应力和曲率的影响。结果表明:存在温度梯度时界面处应力有明显的突变,且各层的残余应力比无梯度时的大。表面应力和曲率都随陶瓷层厚度的增加而增加。 

【文章来源】：热加工工艺. 2020,49(20)北大核心

【文章页数】：4 页

【部分图文】：

热障涂层热应力作用下变形的示意图

图2为建立的三层平面应变模型图，取基体厚度为ts=2 mm、粘结层（BC）厚度0.2 mm、陶瓷层（TBC）厚度tt为0.3mm。基体选用1Cr18Ni9Ti不锈钢材料，BC、TBC各涂层材料分别为Ni Co Cr Al Y(Y为微量元素）和Zr O2-8%Y2O3。材料弹性模量和热膨胀系数参数取定值，见表1。设系统中沿涂层厚度方向的温度分布按一维热传导来处理，计算方法如下[13-14]:

设定系统的服役温度为1000℃，受热冷却至室温后，基体中的应变量分布见图3，式（2）中的总应变ε由均匀应变c和弯曲应变（z-tb）/r两部分组成，均匀应变的大小由式（8）求得，弯曲应变大小由式（9）、（10）求得。图4表示基体中的应力分布。可看到，弯曲中性轴和传统中性轴的区别，弯曲中性轴的位置可通过式（9）计算得到，且其值为tb=-0.758 mm，而传统中认为应力为零的中性轴是z=-0.845mm的位置。Hsueh等[15]研究热障涂层应力时都认为各层温度变化量是相同的，而本文解析计算模型中认为各层温度变化量是不同的，原因有二：(1)材料间热物性差异，(2)陶瓷材料良好的隔热性能。

【参考文献】：
期刊论文
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本文编号：3238266