论文摘要：等离子喷涂热障涂层的失效与寿命预测方法研究

随着航空涡轮发动机向高功率、大推质比方向发展，涡轮进口处的燃气温度不断提高，涡轮构件的耐高温性能面临着严峻的挑战。与传统的开发新型高温合金以及改良冷却技术等手段一样，热障涂层技术作为一种热防护技术已成为解决该问题的关键手段。热障涂层技术的基本思路是在金属构件表面喷涂隔热陶瓷薄层，组成热障涂层—金属基体系统，使金属基体在较低的温度下工作，以达到提升构件可靠性与耐久性的目的。由于系统各层材料参数不匹配等因素的影响，热障涂层在工作过程中往往处于十分复杂的受力状态，容易出现与基体相剥离的现象，从而失去保护基体的功能和意义。剥落失效问题是热障涂层应用中不可避免的问题，一直是热障涂层研究工作中的重点，事实上，热障涂层能否在工程中推广应用，取决于能否建立一套对热障涂层的工作寿命进行准确评估的方法。本论文以喷涂于涡轮导向叶片上的某类国产等离子喷涂热障涂层的剥落失效为背景，以试验和数值计算为研究手段，揭示了涂层的剥落失效机理，并最终建立了热障涂层剥落失效寿命的预测模型。所做工作的主要内容如下所述。第一，展开了热障涂层的失效试验，并对试验进行数值模拟，揭示出了热障涂层失效的机理。制作了圆筒形式带等离子喷涂热障涂层的试验件，进行了热循环加载条件下的热障涂层失效试验，多次试验结果表明，在某次热循环中温度开始下降的很短时间内陶瓷层沿陶瓷层/黏结层界面附近位置剥落；然后对该失效试验进行了有限元模拟，重点研究了陶瓷层内应力场的变化，根据陶瓷层中的应力变化情况对剥落失效行为进行了分析，揭示出了陶瓷层剥落失效的机理。第二，研究了陶瓷层/黏结层界面处的单边裂纹在典型热载荷作用下扩展的问题。在陶瓷层/黏结层界面端处引入了单边界面裂纹，利用虚拟裂纹闭合技术计算了热载荷作用下不同长度单边界面裂纹扩展单位面积时热障涂层/基体结构的能量释放率，基于能量准则，将该能量释放率与相应的界面断裂韧度进行对比，研究了单边界面裂纹的扩展行为。第三，对热障涂层的寿命预测方法进行了研究并建立了寿命预测模型。采用唯象学方法建立了等离子喷涂热障涂层的热疲劳寿命预测模型，所建立模型的特点为：1)选取了陶瓷层面内的最大拉伸应变作为控制参量；2)利用氧化层厚度这一参量唯象的表达了黏结层的高温氧化对陶瓷层失效强度的影响。设计并开展了热障涂层结构的热循环疲劳试验与高温氧化试验，分别考察了机械变形与高温氧化对热障涂层失效的影响程度，获得了陶瓷层最终剥落失效时的临界氧化层厚度这一参量，最后利用相关试验结果，对寿命预测模型的预测能力进行了检验。本文开展的等离子喷涂热障涂层的失效与寿命预测方法研究针对国产热障涂层进行，有较强的工程实用背景，提出的热障涂层寿命预测模型能够较好的预测热循环载荷加载条件下热障涂层的剥落失效寿命，可为工程中预测该类热障涂层的剥落失效寿命所借鉴；对界面裂纹扩展问题的研究属于界面断裂理论应用于数值计算研究的首次尝试，尽管给出的结论还有待具体的试验现象加以验证，但这种尝试为探索界面断裂问题的研究方法提供了一个方向。

来源：半壳优胜育转载请保留出处和链接！

本文链接：http://www.87cpy.com/205362.html