基于內(nèi)聚力單元熱障涂層體系失效過程有限元模擬分析.pdf

1、熱障涂層(thermal barrier coatings，簡(jiǎn)稱TBCs)是目前世界上最先進(jìn)的高溫防護(hù)涂層之一，具有良好的高溫化學(xué)穩(wěn)定性、抗沖刷性和隔熱性等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用在核技術(shù)以及航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)高溫部件中。然而，由于渦輪葉片幾何形狀不規(guī)則性、服役環(huán)境的復(fù)雜性和熱障涂層體系結(jié)構(gòu)的多樣性，應(yīng)用理論分析和實(shí)驗(yàn)表征方法評(píng)價(jià)涂層的可靠性受到極大的限制，開展有限元模擬方法預(yù)測(cè)帶涂層的復(fù)雜結(jié)構(gòu)構(gòu)件服役壽命以成為當(dāng)前的熱點(diǎn)問題。本文采用有限元模

2、擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的辦法，確定了用于預(yù)測(cè)熱障涂層體系斷裂失效的有限元模型關(guān)鍵參數(shù)，為將來預(yù)測(cè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)涂層構(gòu)件的失效及可靠性提供可靠的參數(shù)依據(jù)。具體內(nèi)容如歸納如下：
　　第一，運(yùn)用單邊切口梁法，結(jié)合數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)得到了不同熱循環(huán)條件下純涂層樣品的斷裂強(qiáng)度和斷裂韌性。然后運(yùn)用擴(kuò)展有限元方法建立模型，有效再現(xiàn)裂紋的萌生和擴(kuò)展過程。在彈性模量和斷裂強(qiáng)度給定的條件下，嘗試輸入陶瓷涂層的斷裂能，再把獲得模擬載荷撓度曲線與實(shí)驗(yàn)所測(cè)得載荷撓度曲

3、線進(jìn)行對(duì)不分析，從而在一系列預(yù)設(shè)的斷裂能中估算出一個(gè)最合適的陶瓷涂層斷裂能。再利用線彈性斷裂力學(xué)，推導(dǎo)出了對(duì)應(yīng)的斷裂韌性，與實(shí)驗(yàn)所得到的斷裂韌性值對(duì)比，兩者結(jié)果非常吻合。這部分純陶瓷斷裂的有限元模型參數(shù)為后續(xù)熱障涂層體系斷裂失效提供必需的關(guān)鍵參數(shù)。
　　第二，考慮殘余應(yīng)力的影響，應(yīng)用上述陶瓷層斷裂的模型參數(shù)，成功地模擬了在基底外加拉伸載荷作用下熱障涂層斷裂失效過程。首先討論了陶瓷層沉積溫度和厚度對(duì)熱障涂層系統(tǒng)殘余應(yīng)力分布的影響，進(jìn)

4、一步分析了其中陶瓷層和粘結(jié)層的存在對(duì)基底內(nèi)應(yīng)力分布的影響，尤其是重點(diǎn)分析基底被拉伸拉伸過程中陶瓷層正應(yīng)力、界面剪切應(yīng)力的演變過程。合理的估算出了影響深度區(qū)間的大小，對(duì)合理推導(dǎo)三層結(jié)構(gòu)涂層體系剪滯模型解析解提供重要的模擬指導(dǎo)。當(dāng)基底外加應(yīng)變達(dá)到0.27％時(shí)，有限元模擬表面陶瓷層發(fā)生斷裂，這結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試基本一致。
　　第三，在前面兩章的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步在有限元模型中，首在陶瓷層/粘結(jié)層界面植入內(nèi)聚力單元，并對(duì)熱障涂層體系破壞過程中一個(gè)