热机械疲劳条件下热障涂层中TGO皱褶的三维模拟研究

摘要

热障涂层(Thermal barrier coatings，TBCs)被广泛应用于航空发动机涡轮叶片上提供隔热保护，有效的提高了热端部件的工作温度和效率，延长了其使用寿命。热障涂层在服役过程中会在其内部生长一层热生长氧化物(Thermally grown oxide，TGO)，TGO在高温环境下不断生长，发生化学成分和几何形貌的演变，对热障涂层的界面剥离和使用寿命有重大影响。本文以SolidWorks为三维建模软件，以ABAQUS及其提供的子程序UEXPAN为有限元计算平台和工具，验证了本文中使用的TGO生长子程序UEXPAN的正确性，研究了热循环（Thermal fatigue，TF）下TGO初始振幅、热机械循环(Thermo-mechanical fatigue，TMF)下外加机械载荷大小和TGO横向生长应变对TGO皱褶的影响规律。论文的主要结论如下:
　　(1)通过与文献报道结果比较，验证了TGO生长子程序UEXPAN的正确性。
　　(2)当模型只经历热循环载荷时，TGO振幅随循环进行而增加，不同初始振幅的模型TGO振幅增量不同，20个循环后A0=2μm、4μm和12μm的三种模型TGO振幅增量分别为0.07μm、0.52μm以及0.74μm。在每个循环中，TGO在降温和升温阶段的振幅增量主要受BC层Y方向塑性变形的影响，在高温保温阶段的振幅增量主要受TGO高温阶段Y方向塑性变形的影响。
　　(3)当模型经历热机械载荷时，TGO振幅变化规律受外加机械载荷大小和TGO横向生长应变的联合作用。当横着生长应变较小时，TGO振幅增量较小，此时外加机械载荷对TGO皱褶影响显著。外加拉应力使得平行外加机械载荷的平面内的TGO振幅增量减小，垂直外加机械载荷的平面内的TGO振幅增量变大。外加压应力使得平行外加机械载荷平面内的TGO振幅增量变大，垂直外加机械载荷平面内的TGO振幅增量变小。当横向生长应变较大时，TGO振幅增量较大，此时外加机械载荷对TGO皱褶影响相对较小，无论外加机械载荷是拉应力还是压应力，两个平面内的TGO振幅增量均较大。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景

1．2 热障涂层概述

1．2．1 热障涂层简介

1．2．2 热障涂层制备方法

1．2．3 热障涂层失效机理及TGO演化

1．3 TGO皱褶的实验研究现状

1．3．1 热疲劳的影响

1．3．2 热机械疲劳的影响

1．4 TGO皱褶的数值模拟现状

1．4．1 TGO皱褶的理论研究

1．4．2 数值模拟研究

1．5 研究意义和内容

1．5．1 研究意义

1．5．2 研究内容

第二章 计算模型和方法

2．1 研究路线

2．2 SolidWorks中三维模型的建立

2．2．1 三维模型的几何尺寸

2．2．2 SOLIDWORKS简介

2．2．3 SolidWorks中三维模型的建模过程

2．3 ABAQUS CAE中模拟参数的输入

2．3．1 ABAQUS软件简介

2．3．2 各层的材料参数

2．3．3 模型的网格划分

2．3．4 模型边界的条件

2．3．5 热机械疲劳条件

2．3．6 子程序UEXPAN的编写

2．4 计算结果的分析处理

2．4．1 TGO皱褶的表现形式

2．4．2 TGO生长材料参数转换的验证

2．4．3 子程序UEXPAN的验证

2．4．4 TGO中不同区域皱褶的差异

第三章 外加机械载荷为拉应力时TGO皱褶的变化规律

3．1 不同初始振幅模型下TGO皱褶的变化规律

3．1．1 不同初始振幅下TGO振幅的变化

3．1．2 BC层的应力及塑性变形分析

3．1．3 TGO中的应力分布及塑性变形

3．2 外加拉应力大小对TGO皱褶的影响

3．2．1 TGO振幅的变化

3．2．2 SUB层的蠕变

3．2．3 BC层塑性变形

3．2．4 TGO中的应力分布和塑性变形

3．3 TGO横向生长应变对其皱褶的影响

3．3．1 TGO振幅的变化

3．3．2 BC中的应力分布塑性变形

3．3．3 TGO中的应力分布和塑性变形

3．4 本章小结

第四章 外加机械载荷为压应力时TGO皱褶的变化规律

4．1 外加压应力大小对TGO皱褶变化规律的影响

4．1．1 TGO振幅的变化

4．1．2 SUB层的蠕变

4．1．3 BC层的塑性变形

4．1．4 TGO层的塑性变形

4．2 不同TGO横向生长应变的影响

4．2．1 TGO振幅的变化

4．2．2 BC塑性变形

4．2．3 TGO塑性变形

4．3 本章小结

第五章 总结

参考文献

攻读硕士期间发表的论文与成果

致谢