TGO生長(zhǎng)對(duì)熱障涂層系統(tǒng)失效影響的有限元分析及研究.pdf

1、熱障涂層系統(tǒng)（TBCs）因具備良好的耐熱和抗氧化等優(yōu)異性能而被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端部件。典型的熱障涂層系統(tǒng)通常包括陶瓷層（TBC），粘接層（Bond Coat），合金基體層（Substrate）以及位于粘接層和陶瓷層之間的熱生長(zhǎng)氧化物層（TGO）。研究發(fā)現(xiàn)，TGO是造成熱障涂層系統(tǒng)失效的主要原因之一。TGO在高溫?zé)嵫h(huán)階段的連續(xù)生長(zhǎng)會(huì)在熱障涂層系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生巨大的應(yīng)力，從而使TGO產(chǎn)生面外位移，造成TGO發(fā)生位移不穩(wěn)定性。當(dāng)TGO的

2、位移不穩(wěn)定性過大時(shí)，將導(dǎo)致氧化層的失效剝落，熱障涂層系統(tǒng)也會(huì)因此而失效。
　　TGO的連續(xù)生長(zhǎng)過程主要發(fā)生在高溫氧化階段。對(duì)該過程的數(shù)值模擬，目前所使用的通用有限元軟件（如ANSYS）的常規(guī)模擬方法難以實(shí)現(xiàn)TGO的動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)過程，即在數(shù)值模擬過程中難以將基體材料的屬性隨著時(shí)間步的變化連續(xù)轉(zhuǎn)換為TGO。而基于ABAQUS軟件的二次開發(fā)功能（UMAT）使得這一過程的實(shí)現(xiàn)成為可能。本文基于ABAQUS用戶子程序UMAT等功能，成功實(shí)現(xiàn)了T

3、GO在高溫?zé)嵫h(huán)過程中動(dòng)態(tài)生成過程的數(shù)值模擬?；谠撚邢拊夹g(shù)，開展了TGO生長(zhǎng)過程對(duì)熱障涂層系統(tǒng)失效的數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明，本文采用的UMAT方法在TGO的厚度小于1μm時(shí)與美國(guó)加州大學(xué)圣巴巴拉分校的A.M.Karlsson教授使用的方法所取得的結(jié)果相比具有很好的吻合度。當(dāng)TGO的厚度超過1μm時(shí)，Karlsson方法因單元大變形引起的畸變?cè)斐捎?jì)算不收斂而無法繼續(xù)進(jìn)行TGO生長(zhǎng)過程模擬。而本研究中的UMAT方法卻可以繼續(xù)完成TGO生

4、長(zhǎng)過程模擬，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，仍然能取得很好的一致性，并且不受TGO厚度限制。該有限元模擬方法能夠用于任意厚度TGO生成過程的數(shù)值模擬。為后續(xù)基于真實(shí)材料參數(shù)（材料屬性、TGO真實(shí)厚度等）開展數(shù)值模擬研究提供了較好的方法參考。
　　另一方面，在目前的有限元分析中，TGO通常被當(dāng)作純氧化鋁層，但是實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在熱障涂層系統(tǒng)服役后期TGO中會(huì)因?yàn)榛旌涎趸锏某霈F(xiàn)而形成混合氧化層。新生成的混合氧化層會(huì)造成TGO內(nèi)部的應(yīng)力急劇增加，導(dǎo)致T

5、GO的位移不穩(wěn)定性加劇，從而加速熱障涂層系統(tǒng)的失效。目前的研究工作中，很少有專門研究TGO到混合TGO對(duì)熱障涂層系統(tǒng)位移不穩(wěn)定性的影響。因此，本文利用有限元法模擬了TGO中混合氧化層在高溫?zé)嵫h(huán)條件下的動(dòng)態(tài)生成過程以及對(duì)位移不穩(wěn)定性的影響。同時(shí)，采用控制變量法分別研究了混合氧化層的橫向生長(zhǎng)應(yīng)變、生長(zhǎng)速度以及混合氧化層厚度這三個(gè)參數(shù)對(duì)TGO位移不穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，混合氧化層對(duì)TGO位移不穩(wěn)定性的影響比純TGO層更明顯，并且TGO的位

6、移不穩(wěn)定性隨著混合氧化層的橫向生長(zhǎng)應(yīng)變、生長(zhǎng)速度以及混合氧化層厚度的增加而快速增加。
　　綜上，本文基于ABAQUS的用戶子程序功能（UMAT）編制了一種能夠采用真實(shí)材料參數(shù)模擬TGO在高溫?zé)嵫h(huán)過程中實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)生成過程的有限元分析方法。當(dāng)所研究的TGO厚度小于1μm時(shí)，該方法計(jì)算的TGO位移不穩(wěn)定性的結(jié)果和Karlsson經(jīng)典方法一致，而當(dāng)TGO厚度大于1μm時(shí)，Karlsson經(jīng)典方法不能繼續(xù)工作，而該方法能夠模擬出與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高