热障涂层涡轮叶片失败的有限元模拟

摘要

热障涂层是一种主要用来起隔热作用的陶瓷涂层,通常有着比较低的导热系数,一般制备在高温金属或合金的表面,可以大幅降低被保护基底的温度,使得合金基底能使用在更高的温度条件下,从而可以提高机器的热效率并延长其寿命。热障涂层的应用非常广泛,如航空航天飞行器的热端部件、化学化工行业、冶金工业以及能源工业等诸多领域。在实际的应用过程中,热障涂层系统的结构与使用环境往往都非常复杂,使得热障涂层系统在服役过程中的应力演化与寿命预测成为热障涂层相关研究工作的重点与难点问题。因此本文研究工作的重点是分析和预测热障涂层涡轮叶片系统在热循环过程中的应力演化及其关键的影响因素,探索热障涂层寿命预测的理论与实验方法。本论文的主要研究内容如下:
　　第一,本文首先基于Fourier热传导定律和有限元方法,分别得到了四层平板模型的热障涂层系统的稳态温度分布及其隔热效果。结果表明TBC承受了主要的温度梯度,TGO、BC、基底各层内温度梯度较小。本文模拟了陶瓷层厚度对热障涂层系统稳态温度的分布的影响,发现TBC越厚,在服役过程中基底表面的温度就越低,热障涂层系统的隔热效果越好。但TBC的厚度增加到一定的程度后,再增加TBC的厚度时,其隔热效果的增加是非常有限的。本文还考察了孔隙率对热障涂层的热传导系数的影响,发现孔隙率对热障涂层的等效热传导系数有较大的影响,孔隙率越高,陶瓷层的热传导系数就越小,其隔热效果也就越好,本文拟合得到等效热传导系数与孔隙率的关系式。
　　第二,本文对四层平板模型热障涂层系统在制备过程中形成的残余应力进行了有限元模拟计算。当平板模型热障涂层系统从制备温度均匀冷却到室温后,各层均存在不均匀的残余应力,制备温度越高,TBC、TGO等层内的初始残余应力越大。TGO内的残余压缩应力特别大,是导致热障涂层系统破坏的主要原因之一;通过模拟计算发现,随着TBC层厚度的增加,TBC、TGO内的残余应力都有着逐渐减小的趋势。本文还对四层平板模型热障涂层系统在热循环过程中力学行为进行了有限元模拟,得到了系统各层应力分布及演化的规律,结果与解析结果符合得较好。
　　第三,本文提出了一种适用于热障涂层涡轮叶片系统的有限元建模方法,基于有限元软件与三维建模软件,可以有效建立热障涂层涡轮叶片系统的有限元分析模型;本文还提出了两种热障涂层涡轮叶片应力演化及危险区域的预测方法,能大大降低有限元分析前处理的成本和人工操作的出错率,提高了预测结果的准确性;本文还编制了一个大数目热循环条件下热障涂层有限元分析的辅助软件,使得热障涂层涡轮叶片系统在大数目热循环的服役条件下的有限元模拟变得比较易于实现、方便快捷。
　　第四,本文对热障涂层涡轮叶片系统在服役过程的应力场进行了有限元模拟,得到了系统在热循环过程中各层的三维温度场、位移场、应力应变的演化等结果,同时基于第一强度理论对陶瓷层内危险区域的分布,即对涂层内可能最先发生破坏的区域进行了分析与预测;本文还模拟了工作温度对热障涂层涡轮叶片系统应力分布及演化的影响,并对热障涂层涡轮叶片系统的寿命进行了初步的探讨。最后,我们还对热障涂层涡轮叶片系统进行了实验研究,实际测量到了系统的温度场、应变场及失效位置的分布,并把实验的结果与有限元的结果进了比较,从而对有限元模拟计算结果的可靠性进行了验证。
　　总之,本论文主要基于有限元方法与实验方法,对热障涂层涡轮叶片系统在服役过程中的温度场、应力场等关键参量进行了有限元模拟与实验测量,得到一些比较有意义的结果,为热障涂层系统的优化设计以及相关制备参数的优化提供了一些参考,同时也拓宽了有限元方法的应用。

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第1章 绪论

第2章 热障涂层热效果的有限元模拟

第3章 平板模型热障涂层的应力场分析

第4章 热障涂层涡轮叶片的有限元建模方法

第5章 热障涂层涡轮叶片应力演化及危险区域的预测方法

第6章 热障涂层涡轮叶片危险区域及寿命的预测

第7章 热障涂层涡轮叶片答效的实验研究

第8章 全文总结和展望

参考文献

附录

致谢

攻读博士学位期间的论文及专利