等离子喷涂热障涂层冲蚀失效的量纲分析及有限元模拟

摘要

热障涂层(Thermal barrier coatings，即TBCs)技术由于能降低合金基底服役温度、提高发动机性能与热效率，已经成为航空发动机的关键热防护技术。服役时，涂层会受到燃烧室内各种杂质的撞击，从而发生冲蚀失效，这已成为制约其安全应用的关键问题。等离子喷涂(plasma spraying)TBCs由于含有大量孔隙、微裂纹，几何结构极其复杂，使得其冲蚀性能的研究尤为困难。本文通过建立含随机分布缺陷的涂层模型，结合失效形式采用相应有限元方法模拟失效过程，并采用了量纲分析法重点分析了相关参数与冲蚀性能间的关系，最后建立了含均匀分布孔隙涂层的有限元模型进行对比。本学位论文的主要研究内容如下：
　　第一，建立含随机分布缺陷的等离子喷涂涂层的有限元几何模型。首先结合等离子喷涂制备工艺及陶瓷层微观结构对其冲蚀失效现象进行分析，对影响冲蚀性能的关键因素——层内缺陷进行简化；其次根据各软件的特点及优势，如MATLAB软件编写代码方便容易、ANSYS软件的命令流操作非常方便、ABAQUS软件可集中于结构力学和相关领域的研究，简单快捷地建立了等离子喷涂热障涂层的有限元几何模型。
　　第二，结合涂层冲蚀失效形式，采用了不同有限元法进行模拟，并找出最佳方法。由于 ABAQUS中没有陶瓷层的本构关系，因此需要借助其它方式模拟陶瓷层冲蚀失效，发现扩展有限元法(XFEM)适合模拟在粒子冲蚀作用下陶瓷层内裂纹的扩展，脆性断裂准则(Brittle Cracking)可用来模拟陶瓷层的破坏。结合冲蚀性能相关影响参数及制备工艺所需要的参考指标，发现脆性断裂准则最适合做更深入的研究。
　　第三，通过改变陶瓷层内的孔隙相关参数，采用量纲分析法研究了孔隙对陶瓷层冲蚀性能的影响。将陶瓷层内孔隙率、孔隙大小、孔隙分布以及冲蚀粒子的速度等相关参数无量纲化，分析了在这些参数的影响下，陶瓷层内应力、能量及其被冲蚀掉的质量、产生的裂纹长度、表面凹坑的深度等无量纲量的变化。
　　第四，建立了含均匀分布孔隙的等离子喷涂涂层的有限元模型，与含随机分布孔隙的涂层进行对比。在克服了孔隙分布情况的干扰下，分析了孔隙半径、孔隙率、孔隙间距对涂层冲蚀速率的影响。
　　本文通过对等离子喷涂TBCs冲蚀破坏过程的有限元模拟及量纲分析，找出了相关材料参数对陶瓷层冲蚀速率、破坏程度的影响，从而为预测涂层服役寿命、改进等离子喷涂制备工艺提高其抗冲蚀能力提供指导。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 热障涂层的概述

1.3 热障涂层冲蚀失效的研究现状

1.4 量纲分析法的运用[54-56]

1.5 本文的选题依据及研究内容

第2章 含随机分布孔隙的等离子喷涂涂层的几何模型建立

2.1 引言

2.2 简化陶瓷层内的缺陷

2.3 在MATLAB中编写模型代码

2.4 运用ANSYS的命令流中构建孔隙

2.5 导入到ABAQUS中

2.6 本章小结

第3章 含随机分布孔隙涂层的冲蚀过程的有限元模拟

3.1 引言

3.2 冲蚀失效模式及相关参数无量纲化

3.3 使用ABAQUS进行模拟的一般过程[74]

3.4 分析材料属性的选取对模拟结果的影响

3.5 本章小结

第4章 无量纲参量对含随机分布孔隙涂层冲蚀性能的影响

4.1 引言

4.2 涂层冲蚀破坏过程分析

4.3 陶瓷层内孔隙大小对涂层冲蚀性能的影响

4.4 陶瓷层内孔隙率对涂层冲蚀性能的影响

4.5 粒子冲蚀速度对涂层冲蚀性能的影响

4.6 本章小结

第5章 均匀分布孔隙对涂层冲蚀性能的影响

5.1 引言

5.2 孔隙大小对涂层冲蚀性能的影响

5.3 孔隙率对涂层冲蚀性能的影响

5.4 孔隙纵向间距对涂层冲蚀性能的影响

5.5 对比孔隙均匀分布与随机分布对陶瓷层冲蚀速率的影响

5.6 本章小结

第6章 总结和展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

个人简历与在校期间发表的学术论文与研究成果