热障涂层TGO不规则生长有限元模拟

摘要

热障涂层具有耐高温抗腐蚀的特点，能够保护基体材料，被广泛应用于航空发动机中。几十年米的开发和应用表明:热障涂层具有提高发动机的效率和性能，减少燃油消耗，延长发动机使用寿命的优点。但是热障涂层也存在自身的缺点和不足。由于热障涂层的工作环境比较苛刻，在工作状态下要承受高温载荷，并且还要经过升温，降温多次冷热循环等，因此涂层内部容易出现裂纹。并且随着裂纹的扩展会导致涂层过早的剥落失效，这严重影响了热障涂层的使用寿命，因此提高热障涂层的使用寿命就显得十分的重要。
　　热障涂层的研究方法可分为实验研究和数值模拟两种，但是由于实验环境的特殊性以及实验造价的高昂性不能够对涂层失效进行大量的实验。为了使热障涂层能够更好的发挥作用，建立一套有效的寿命预测模型就显得十分的必要。但是目前已有的寿命预测模型准确性不高，寿命预测方法也不够完善，因此需要建立一套比较可靠的寿命预测模型。
　　本文采用有限元方法，利用ABAQUS商用软件，针对氧化层(thermally grownoxide)层局部生长进行了数值模拟计算。首先建立了包含变截面氧化层的热障涂层几何模型，模型由粘结层(BC)、陶瓷层(TC)与氧化层(TGO)三部分组成。然后赋予相应的材料参数，考虑了材料的蠕变性能以及氧化层的氧化效应，通过模拟高温热循环载荷进行热应力分析计算。考察了热循环结束后应力的分布情况，分析了蠕变和氧化效应对应力分布造成的影响，并在此基础上对氧化层凸起的高度和宽度发生改变时的多种状态进行了模拟，总结了氧化层高度和厚度发生改变时对热障涂层应力分布的影响。然后对氧化层存在BC孤岛这一情况建立了有限元模型，对当氧化层存在BC孤岛时与氧化层不存在BC孤岛时的模拟结果进行对比，通过对比得出了当热障涂层存在孤岛时对应力分布的影响，分析了孤岛何置不同时周围应力的分布状况。改变凸起的方向，并进行模拟分析，得到应力分布特点。模拟所得到的结果为能够为氧化层的失效判断以及热障涂层寿命预测提供一定的帮助。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题来源

1．2 课题研究背景以及意义

1．3 热障涂层

1．3．1 热障涂层的概念

1．3．2 热障涂层的制备技术

1．4 国内外研究现状

1．4．1 国外研究现状

1．4．2 国内研究现状

1．5 课题的提出

1．6 本文的主要工作

2 热障涂层的失效因素及有限元法概述

2．1 热障涂层的失效因素

2．1．1 材料因素

2．1．2 几何因素

2．1．3 时间因素

2．1．4 载荷与环境因素

2．2 有限单元法

2．2．1 有限单元法简介

2．2．2 热传导问题

2．2．3 热应力分析的基本原理

2．3 本章小结

3 TGO不规则生长有限元模拟

3．1 本构模型

3．2 模型的建立

3．2．1 几何模型

3．2．2 材料参数

3．2．3 边界条件

3．2．4 载荷及热循环方式

3．2．5 单元选择及网格划分

3．3 计算结果与讨论

3．3．1 热循环后位移场和应变场

3．3．2 模型Y轴方向上的应力分析

3．3．3 热循环作用后X轴方向上的应力分析

3．3．4 材料属性对界面应力分布的影响

3．4 TGO凸起宽度与高度对应力的影响

3．4．1 高度H变化对涂层的影响

3．4．2 高度L变化对涂层的影响

3．5 热障涂层失效分析

3．6 本章小结

4 存在孤岛的不规则生长TGO有限元模拟

4．1 模型的建立

4．2 计算结果与讨论

4．2．1 有孤岛时与没有孤岛时Y轴方向上的应力对比分析

4．2．2 有孤岛时与没有孤岛时X轴方向上的应力对比分析

4．2．3 存在BC孤岛时材料属性对应力分布的影响

4．3 本章小结

5 向上凸起的不规则生长TGO有限元模拟

5．1 模型的建立

5．2 计算结果与分析

5．2．1 模型Y轴方向上的应力分析

5．2．2 模型X轴方向上的应力分析

5．2．3 材料属性对界面应力分布的影响

5．3 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文