摘要：随着航空发动机的更新换代,要求其高温部件的承温承载能力不断提高.热障涂层(YSZ)作为隔热抗腐蚀材料极大的提升了高温部件的承温能力.然而,在发动机工作期间,不可避免的摄入大气中的灰尘(CMAS),这些灰尘贴附在陶瓷层上,高温下熔化,渗透进入热障涂层,改变了陶瓷层成分和结构,增加涂层内应力,降低陶瓷层隔热性能及应变容限,随后降温过程CMAS和涂层间的热失配及四方相(t)(□)单斜相(m)的相转变又导致涂层内部裂纹扩展和分层,最终热涂层产生了不容忽视的重大失效问题.为了加强热障涂层抗CMAS腐蚀的能力,必须加深涂层和CMAS腐蚀过程机理研究.本文分为两部分,第一部分理论推导CMAS浓度、化学反应程度、相变序参量的控制方程及应力应变本构关系;第二部分,建立二维模型,有限元模拟陶瓷层腐蚀过程.理论推导从热力学定律出发,将CMAS腐蚀陶瓷层过程的分为两个阶段,高温渗透反应阶段和降温相变阶段.定义CMAS浓度为c,SiO2与ZrO2反应生成ZrSiO4,定义ZrSiO4的体积分数为化学反应程度(l),采用小变形理论和菲克定律,推得c和(l)的控制方程及高温应力应变本构关系,高温下CMAS腐蚀渗透陶瓷层的同时引起涂层中Y元素的流失,随后降温涂层发生t(□)m相转变,采用相场方法描述相变过程,定义序参量η,η=1代表t相,η=0代表m相,考虑高温下涂层中残余应变和残余应力及高温下因CMAS引起的Y元素流失规律,推得序参量的控制方程和降温过程应力应变本构关系.第二部分,建立二维陶瓷涂层模型,定义边界条件和初始条件,高温渗透反应4小时,得到c和(l)随渗透深度的变化规律,降温20分钟,冷却速度定为1K/s,得到不同时间序参量随渗透深度的变化规律.
