热障涂层分层断裂有限元分析

摘要

热障涂层在航空发动机上的应用很广泛，尤其是应用于发动机内部关键高温部件，以此提高部件耐受高温的能力和增强部件的强度和使用寿命。热障涂层在使用的过程容易发生陶瓷层脱落失效，这和其应用环境，涂层本身结构和涂层材料密不可分。其失效机理主要与热生长氧化物生成和裂纹生成以及他们之间的相互作用有密切关系。热生长氧化层在热循环过程中发生不规则变形能够进一步促进陶瓷层与氧化层界面处产生分层裂纹，而分层裂纹的开裂给氧化物生长提供空间和氧离子；并且涂层中各层的材料参数对其失效有一定影响关系，如屈服在一定程度上缓解涂层内部应力，但是多次热循环下塑性应变又能在涂层内部不断积累，引起氧化层变形和裂纹的萌生、扩展。
　　本文的目的是分析热生长氧化物的不规则变形和分层裂纹对涂层层离破坏的影响。并利用非线性工程有限元软件ABAQUS建立模型，模型中考虑了热生长氧化物生长变形和氧化层、粘结层高温屈服特性。主要内容:首先考察氧化层界面形貌为凹型和凸型时应力场随温度的变化情况，并着重分析凹型氧化层界面下应力场和氧化层变形，分析得出了涂层系统中容易发生失效的部位。然后预置分层裂纹来分析分层裂纹开裂规律。最后逐一分析影响氧化层生长变形的四个主要因素：生长应变率、屈服特性、热载荷方式以及氧化层凹陷深度对分层开裂的影响。
　　模拟结果得出了热障涂层容易发生层离破坏的位置是 TBC/TGO和 TGO/BC界面处；分层裂纹在升温阶段容易萌生在凹陷氧化层内部，而在高温和降温阶段分层裂纹容易扩展；氧化层生长变形促进涂层发生层离破坏，变形程度越大，即波动幅值越大，越容易发生分层开裂。这对于认识涂层失效机理有一定帮助。

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1. 绪论

1.1背景及研究意义

1.2热障涂层的概念

1.3国内外研究现状

1.4研究课题的提出

1.5本文的主要工作

2. 热障涂层失效的主要因素分析

2.1热生长氧化物的产生

2.2裂纹的形成

2.3其他参数影响及界面裂纹扩展规律

2.4小结

3. 热障涂层应力场分析

3.1模型建立

3.2应力场分析

3.3小结

4. 热障涂层界面分层破坏

4.1TBC/TGO界面应力分析

4.2凹陷氧化层分层裂纹开裂能力分析

4.3热障涂层分层开裂规律分析

4.4小结

5. 氧化层生长变形对分层开裂的影响分析

5.1热循环中生长应变率对分层裂纹开裂的影响分析

5.2热循环中屈服特性对分层裂纹开裂的影响分析

5.3热循环方式对分层开裂的影响分析

5.4氧化层凹陷深度对分层裂纹开裂的影响情况

5.5小结

6. 结论和展望

6.1结论

6.2展望

致谢

参考文献