有限元方法分析TGO形貌對渦輪葉片熱障涂層應(yīng)力場的影響.pdf

1、熱障涂層(Thermal barrier coatings，簡稱TBCs)以其優(yōu)異的隔熱、耐磨和耐蝕性被廣泛應(yīng)用在航空渦輪發(fā)動機(jī)中。由于熱障涂層復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、惡劣的工作環(huán)境，粘結(jié)層將會發(fā)生氧化,在粘結(jié)層與陶瓷層之間形成一層氧化層(Thermally Growth Oxide，簡稱TGO)。然而，氧化層的厚度極小，再加上其主要成分是氧化鋁的彈性模量很大，使得其應(yīng)力水平比另外三層的應(yīng)力高1到2個數(shù)量級，容易發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，進(jìn)而可能導(dǎo)致涂層界

2、面裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展與剝落。因此，研究氧化層對熱障涂層使用壽命的影響是非常重要的，本文采用有限元方法分析TGO形貌對渦輪葉片熱障涂層應(yīng)力場的影響，本論文的主要研究內(nèi)容如下：
　　第一，由于渦輪葉片熱障涂層系統(tǒng)復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，單純依靠有限元軟件難以建立其實際尺寸的幾何模型，考慮TGO形貌進(jìn)一步加大了建立幾何模型的難度。因此，我們結(jié)合有限元軟件(ABAQUS)和三維畫圖軟件(CATIA)，建立了不同TGO形貌的渦輪葉片熱障涂層系統(tǒng)的有限元

3、幾何模型，并對其賦予材料屬性、設(shè)定邊界條件、網(wǎng)格劃分，本文給出了詳細(xì)具體的操作步驟。
　　第二，針對一種TGO厚度為10μm、振幅為20μm的渦輪葉片熱障涂層模型，分析了渦輪葉片熱障涂層系統(tǒng)制備完成后冷卻到室溫過程中各層的初始?xì)堄鄳?yīng)力場，發(fā)現(xiàn)各層均存在不均勻的殘余應(yīng)力，并且TGO內(nèi)的殘余壓縮應(yīng)力約達(dá)-2.5GPa，是導(dǎo)致熱障涂層系統(tǒng)破壞的主要原因之一；穩(wěn)態(tài)溫度場的計算結(jié)果表明，熱障涂層的隔熱效果明顯，承擔(dān)了60％-80%的溫度差，

4、并且渦輪葉片各位置的隔熱效果不一致；對熱循環(huán)過程中的力學(xué)行為進(jìn)行了有限元模擬，得到系統(tǒng)各層應(yīng)力分布及演化規(guī)律，結(jié)果與解析結(jié)果符合得較好。
　　第三，通過對不同TGO形貌的渦輪葉片熱障涂層系統(tǒng)進(jìn)行熱循環(huán)應(yīng)力場的有限元模擬，結(jié)合各種TGO形貌的有限元模擬結(jié)果，比較不同TGO形貌模型應(yīng)力場的水平，分析TGO形貌對渦輪葉片熱障涂層體系應(yīng)力場的影響。結(jié)果表明，相同TGO厚度下，渦輪葉片熱障涂層體系的應(yīng)力水平隨TGO界面形貌粗糙度的增大而增加