关键词：热障涂层;;热机械疲劳;;热致生长氧化物;;数值模拟;;皱褶
摘 要：热障涂层(Thermal barrier coatings,TBCs)被广泛应用于航空发动机热端部件的热防护,有效的提高了部件的工作温度和效率,延长了热端部件的使用寿命。典型的热障涂层系统包括陶瓷层(TBC)、热致生长氧化物层(TGO)、粘结层(BC)和高温合金(SUB)。热生长氧化物层会随着热障涂层的服役不断发生几何形貌和化学成分的演变,对热障涂层内部应力和使用寿命有着十分重大的影响。本文在三维建模软件SOLIDWORKS中建立了包括TGO、BC和SUB的热障涂层系统的二维和三维模型,基于商用有限元软件ABAQUS,开发了能够模拟TGO生长的子程序。在二维模型中研究了材料参数、计算方法、机械载荷、热机械相位角对热障涂层TGO皱褶的影响;在三维模型中研究了材料参数、机械载荷对TGO皱褶的影响。对比分析二维、三维有限元计算模型和多层连续体解析解模型结果,探明多层连续体力学解析解的适用范围。论文的主要结论如下:(1)在广义平面应变条件下计算得到的二维有限元结果与三维有限元结果相近。(2)当BC层在1423.5K时的热膨胀系数α_(BC)=2.1×10~(-5)/K,BC层蠕变满足幂次模型系数A=1.35×10~(-10),横向生长应变ε_g=0.00038时,有限元模型的计算结果与解析解相近。各材料参数对TGO皱褶的影响表现为:平行和垂直于加载方向的TGO振幅均随着BC层的热膨胀系数的增大而增大;平行和垂直于加载方向的TGO振幅均随着生长应变的增加而增大,但是当生长应变ε_g≥0.00038时,垂直于加载方向的TGO振幅几乎不再发生变化;TGO皱褶对BC层蠕变幂次模型系数A的变化并不敏感。(3)在二维模型中研究了热机械相位角对TGO皱褶的影响。在外加拉力的作用下:当相位偏移60o时TGO振幅最大,当不发生相位偏移时TGO振幅最小,并且随着外加拉力的增加,这种变化趋势被逐渐放大;在外加压力的作用下:当相位偏移120o左右时TGO振幅最小,当相位偏移300o左右时TGO振幅最大,并且随着外加拉力的增加,这种变化趋势被逐渐放大。(4)当-60MPa≤σ_(max)≤60MPa时,在有限元模拟中,TGO皱褶表现出轻微的正交各向异性。而在解析解中,TGO皱褶并无表现出正交各向异性特征;当σ_(max)≥60MPa时,随着外加拉力的增大,平行于加载方向的TGO振幅减小,垂直于加载方向的TGO振幅增大。在解析解中,随着外加拉力的增大,TGO皱褶变化表现出同样的趋势,但是随着外加载荷的增大,解析解中TGO皱褶各向异性程度的增大速度要大于有限元模型中TGO皱褶各向异性程度的增大速度;当σ_(max)≤-60MPa时,随着外加压力的增大,平行于加载方向的TGO振幅增大,垂直于加载方向的TGO振幅减小。在解析解中,随着外加压力的增大,TGO皱褶表现出同样的趋势,但是随着外加载荷的增大,解析解中TGO皱褶各向异性程度的增大速度要小于有限元模型中TGO皱褶各向异性程度的增大速度。
内 容：原文可通过湖北省科技信息共享服务平台（http://www.hbstl.org.cn)获取