LaMgAl_(11)O_(19)热障涂层退火过程残余热应力分布及涂层热稳定性的数值模拟

摘要

目的研究退火过程中LaMgAl_(11)O_(19)热障涂层内部残余热应力的分布情况及其对热障涂层热稳定性的影响机理。方法基于等离子喷涂制备的LaMgAl_(11)O_(19)/YSZ双热障涂层物理模型,采用Abaqus建立数值仿真模型,通过温度位移耦合计算,系统分析不同退火温度下LaMgAl_(11)O_(19)热障涂层内部残余热应力的分布情况。通过扫描电镜,观察退火前后涂层表面及断面的微观组织形貌。根据数值模拟结果及涂层SEM图像,分析残余热应力对LaMgAl_(11)O_(19)热障涂层热稳定性的影响,探究引起涂层裂纹损伤失效的影响因素。结果数值模拟结果显示,LaMgAl_(11)O_(19)热障涂层内部的残余热应力以径向应力为主,其值远大于轴向应力及剪切应力。退火中,径向残余热应力在径向距离0~2.4 mm内缓慢增长到最大值,而在x=2.4 mm至径向边缘范围内急剧降低。退火后,在涂层径向边缘位置出现应力集中,在径向距离x=2.6 mm处达到最大拉应力,并迅速减小为压应力。900、1000、1100、1200℃退火中径向残余热应力梯度分别为0.334、0.369、0.389、0.391 GPa。退火后径向残余热应力梯度分别为0.104、0.148、0.203、0.260 MPa。从退火后涂层表面及断面扫描电镜图像观察到,LaMgAl_(11)O_(19)热障涂层内部裂纹损伤以轴向裂纹为主。结论LaMgAl_(11)O_(19)热障涂层退火过程中内部径向残余热应力在径向边缘位置存在拉压应力突变,应力梯度随退火温度的升高而增大。LaMgAl_(11)O_(19)热障涂层在退火过程中存在较大的径向残余热应力,其应力值占主导地位,是引起涂层轴向裂纹产生及扩展的主要原因。