基于真实TGO三维结构的热障涂层热应力分析

采用三维X射线显微镜对高温热循环后的双层结构热障涂层样品进行了分辨率0.5μm的高分辨率CT(Computed Tomography)重建,实现了热生长氧化物(Thermally Grown Oxide,TGO)三维结构分割与可视化,建立了基于真实TGO微结构的热障涂层三维有限元模型,研究了蠕变及热循环次数对热障涂层热应力的影响。有限元分析结果表明:恒温阶段受蠕变的影响,应力大幅度减小,高温蠕变对热障涂层热应力具有释放作用。三维热应力分布结果表明,粘结层与TGO界面处应力最大。热障涂层的应力随着热循环次数的增加而增大,但在15次循环之后,应力趋于稳定。     

EB-PVD热障涂层TGO三维结构分析

热生长氧化物(TGO)的厚度及形貌是影响热障涂层热应力的关键因素。首先开展了电子束物理气相沉积(EB-PVD)热障涂层1 050℃恒温氧化实验,采用聚焦离子束-扫描电子显微镜(FIB-SEM)实现了EB-PVD热障涂层三维成像,获得了576幅热障涂层高温氧化48 h后的SEM图像;其次,通过EB-PVD热障涂层三维结构的分割与提取,得到了真实TGO三维结构和柱间孔隙三维分布,实现了TGO层的厚度测量;最后建立了基于TGO三维结构和柱间孔隙三维分布的EB-PVD热障涂层有限元热应力分析模型,分析了真实TGO三维结构和柱间孔隙三维分布对EB-PVD热障涂层热应力的影响。结果表明,TGO层的平均厚度为2.37μm,有限元模型中最大拉应力为403 MPa,最大压应力为-282 MPa,最大拉应力与最大压应力均出现在陶瓷层中的柱间孔隙处。