EB-PVD热障涂层冲蚀过程及其裂纹扩展的有限元模拟

摘要

热障涂层(Thermal barrier coatings，简称TBCs)是一种基于氧化铝Al2O3、氧化锆ZrO2等的陶瓷复合材料，具有耐高温、抗氧化、耐磨损、耐腐蚀等优良性能，可以有效提高基底的使用温度，改善高温部件的性能并延长其使用寿命，因而被广泛应用于航空发动机中。然而，航空发动机的服役环境非常复杂，TBC将会受到外来颗粒及燃烧室中碳粒的撞击，从而导致涂层的过早剥落，冲蚀失效形式一直是热障涂层研究中比较关注的问题。本文主要从数值模拟的角度，对热障涂层的冲蚀过程及其裂纹扩展过程进行研究，并分析了冲蚀参数对冲蚀响应和裂纹扩展的影响。本学位论文的主要研究内容如下：
　　第一，根据电子束物理气相沉积法(Electron Beam-Physical Vapor Deposition，简称EB-PVD)所制备热障涂层的微观结构特征，建立EB-PVD热障涂层冲蚀的有限元数值模拟模型，并采用扩展有限元方法(Extended Finite Element Method，简称XFEM)对EB-PVD热障涂层冲蚀过程的裂纹扩展进行研究。根据冲蚀模拟的应力场分析，可以看出，颗粒以一定速度和角度撞击涂层，主要包括两个阶段的变化过程：首先是颗粒以很大的撞击力与涂层相互作用，并随着涂层的变形而往下运动；其次，当运动到最大冲击深度后，颗粒会因涂层中能量的释放而返弹回来。通过根据裂纹扩展的数值模拟计算，发现裂纹能很好地在两种不同密度的物质之间传递，具有很好的连贯性。
　　第二，通过改变冲蚀参数(如冲蚀速度、角度等)，研究冲蚀响应的变化规律。结果表明，冲蚀过程的最大冲击深度、最大主应力以及裂纹扩展长度随着初速度的增大而增大。冲蚀过程中的最大冲击深度、裂纹扩展长度也随着角度的增大而增大，但最大主应力却出现在45o-60o之间。通过正交研究发现在裂纹扩展长度与颗粒冲击角度、速度曲线关系中存在一个阈值，这一现象说明对于确定的角度，当速度超过这个阈值后，裂纹才会发生失稳扩展。
　　第三，研究了EB-PVD柱状晶之间的界面结构对冲蚀性能的影响。研究发现，柱状晶之间的界面密度和柱状晶之间的间隙大小对冲蚀性能及裂纹扩展情况的影响不大。研究结果表明，间隙尺寸相对于材料整体的尺寸是非常小的，因此柱状晶之间的界面材料参数对冲蚀响应的影响几乎可以忽略。
　　本文通过对EB-PVD热障涂层冲蚀破坏的有限元数值模拟研究，找出相关冲蚀参数和材料参数对冲蚀响应和裂纹扩展长度的影响规律，为提高热障涂层的抗冲蚀能力及寿命预测提供指导。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 热障涂层的概述

1.3 热障涂层冲蚀研究方法

1.4 本文选题依据和主要内容

第2章 EB-PVD 热障涂层冲蚀过程的理论分析及有限元模型的建立

2.1 EB-PVD热障涂层的微观结构

2.2 EB-PVD 热障涂层相关参数的无量纲化

2.3 EB-PVD 热障涂层冲蚀模拟的模型建立

2.4 EB-PVD热障涂层冲蚀模拟的结果分析

2.5 本章小结

第3章 冲蚀参数对EB-PVD热障涂层冲蚀性能的影响

3.1 冲蚀速度对冲蚀性能的影响

3.2 冲击角度对冲蚀性能的影响

3.3 冲蚀速度与角度对冲蚀性能影响的量化关系

3.4 本章小结

第4章 EB-PVD柱状晶界面结构对冲蚀性能的影响

4.1 柱状晶界面密度对冲蚀过程的影响

4.2 柱状晶间隙对冲蚀性能的影响

4.3 相关材料参数对冲蚀性能的影响

4.4 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 工作总结

5.2 工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文和专利