熱障涂層渦輪葉片失敗的有限元模擬.pdf

1、熱障涂層是一種主要用來起隔熱作用的陶瓷涂層,通常有著比較低的導(dǎo)熱系數(shù),一般制備在高溫金屬或合金的表面,可以大幅降低被保護(hù)基底的溫度,使得合金基底能使用在更高的溫度條件下,從而可以提高機(jī)器的熱效率并延長其壽命。熱障涂層的應(yīng)用非常廣泛,如航空航天飛行器的熱端部件、化學(xué)化工行業(yè)、冶金工業(yè)以及能源工業(yè)等諸多領(lǐng)域。在實(shí)際的應(yīng)用過程中,熱障涂層系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與使用環(huán)境往往都非常復(fù)雜,使得熱障涂層系統(tǒng)在服役過程中的應(yīng)力演化與壽命預(yù)測成為熱障涂層相關(guān)研究工

2、作的重點(diǎn)與難點(diǎn)問題。因此本文研究工作的重點(diǎn)是分析和預(yù)測熱障涂層渦輪葉片系統(tǒng)在熱循環(huán)過程中的應(yīng)力演化及其關(guān)鍵的影響因素,探索熱障涂層壽命預(yù)測的理論與實(shí)驗(yàn)方法。本論文的主要研究內(nèi)容如下:
　　第一,本文首先基于Fourier熱傳導(dǎo)定律和有限元方法,分別得到了四層平板模型的熱障涂層系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)溫度分布及其隔熱效果。結(jié)果表明TBC承受了主要的溫度梯度,TGO、BC、基底各層內(nèi)溫度梯度較小。本文模擬了陶瓷層厚度對熱障涂層系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)溫度的分布的影

3、響,發(fā)現(xiàn)TBC越厚,在服役過程中基底表面的溫度就越低,熱障涂層系統(tǒng)的隔熱效果越好。但TBC的厚度增加到一定的程度后,再增加TBC的厚度時,其隔熱效果的增加是非常有限的。本文還考察了孔隙率對熱障涂層的熱傳導(dǎo)系數(shù)的影響,發(fā)現(xiàn)孔隙率對熱障涂層的等效熱傳導(dǎo)系數(shù)有較大的影響,孔隙率越高,陶瓷層的熱傳導(dǎo)系數(shù)就越小,其隔熱效果也就越好,本文擬合得到等效熱傳導(dǎo)系數(shù)與孔隙率的關(guān)系式。
　　第二,本文對四層平板模型熱障涂層系統(tǒng)在制備過程中形成的殘余應(yīng)

4、力進(jìn)行了有限元模擬計算。當(dāng)平板模型熱障涂層系統(tǒng)從制備溫度均勻冷卻到室溫后,各層均存在不均勻的殘余應(yīng)力,制備溫度越高,TBC、TGO等層內(nèi)的初始?xì)堄鄳?yīng)力越大。TGO內(nèi)的殘余壓縮應(yīng)力特別大,是導(dǎo)致熱障涂層系統(tǒng)破壞的主要原因之一;通過模擬計算發(fā)現(xiàn),隨著TBC層厚度的增加,TBC、TGO內(nèi)的殘余應(yīng)力都有著逐漸減小的趨勢。本文還對四層平板模型熱障涂層系統(tǒng)在熱循環(huán)過程中力學(xué)行為進(jìn)行了有限元模擬,得到了系統(tǒng)各層應(yīng)力分布及演化的規(guī)律,結(jié)果與解析結(jié)果符合

5、得較好。
　　第三,本文提出了一種適用于熱障涂層渦輪葉片系統(tǒng)的有限元建模方法,基于有限元軟件與三維建模軟件,可以有效建立熱障涂層渦輪葉片系統(tǒng)的有限元分析模型;本文還提出了兩種熱障涂層渦輪葉片應(yīng)力演化及危險區(qū)域的預(yù)測方法,能大大降低有限元分析前處理的成本和人工操作的出錯率,提高了預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性;本文還編制了一個大數(shù)目熱循環(huán)條件下熱障涂層有限元分析的輔助軟件,使得熱障涂層渦輪葉片系統(tǒng)在大數(shù)目熱循環(huán)的服役條件下的有限元模擬變得比較易于

6、實(shí)現(xiàn)、方便快捷。
　　第四,本文對熱障涂層渦輪葉片系統(tǒng)在服役過程的應(yīng)力場進(jìn)行了有限元模擬,得到了系統(tǒng)在熱循環(huán)過程中各層的三維溫度場、位移場、應(yīng)力應(yīng)變的演化等結(jié)果,同時基于第一強(qiáng)度理論對陶瓷層內(nèi)危險區(qū)域的分布,即對涂層內(nèi)可能最先發(fā)生破壞的區(qū)域進(jìn)行了分析與預(yù)測;本文還模擬了工作溫度對熱障涂層渦輪葉片系統(tǒng)應(yīng)力分布及演化的影響,并對熱障涂層渦輪葉片系統(tǒng)的壽命進(jìn)行了初步的探討。最后,我們還對熱障涂層渦輪葉片系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)際測量到了系