考虑微结构构型的新型高效涂层双管系统传热和应力分析

采用有限元顺次耦合的方法,开展了热机载荷作用下含微结构构型的新型高效涂层双管系统传热和应力分析,初步研究了关键特征参量对系统传热和应力分布的影响。结果表明：在稳态工作条件下,热障涂层为主蒸汽管道提供了足够的隔热保护,但由温度梯度产生的热应力对系统结构完整性产生了很大影响;系统中环向应力远大于径向应力,最大环向应力出现在TGO/BC余弦界面靠近TGO侧的波峰处;此外,TC层厚度、TC层热膨胀系数、冷却蒸汽的温度和压力决定了系统的传热和应力分布。     

预热温度对机匣等离子喷涂铝硅可磨耗封严涂层应力场影响的数值模拟

目的 为确定机匣等离子喷涂铝硅涂层最佳预热温度,揭示不同预热温度对涂层残余应力的影响,优化基体预热温度,降低由于过大的残余应力导致涂层剥落和失效的可能性,为实际生产提供指导。方法 基于热弹塑性有限元理论,使用ANSYSWORKBENCH中稳态热和结构应力模块,建立双层等离子喷涂有限元模型。采用间接热力耦合方法对不同预热温度下的机匣等离子喷涂温度场和应力场进行模拟,分析不同预热温度对面层/黏结层/基体系统温度和应力分布的影响,重点研究了预热温度为30、50、80、120、150、180、200 ℃时涂层的温度场和应力场分布。结果 随着基体预热温度的升高,基体和涂层的温度梯度逐渐减小,面层等效应力逐渐减小,最大等效应力先减小后增大;y轴环向应力和z轴轴向应力分布及变化趋势基本相同;与y轴环向应力和z轴轴向应力相比,基体预热温度的变化对x轴径向拉应力、径向压应力的影响更大。结论 根据涂层的残余应力的分布和变化规律,等离子喷涂铝硅可磨耗封严涂层时,基体预热温度应控制在150 ℃。     

等离子喷涂8YSZ涂层在铝熔体作用下热冲击行为的数值模拟

目的定量理解等离子喷涂8YSZ热障涂层浸入铝熔体中的热冲击行为。方法基于热-力耦合计算方法有限元数值模拟,研究等离子喷涂8YSZ热障涂层浸入铝熔体时涂层中的瞬态温度场和瞬态应力场,以及涂层预热温度、陶瓷层厚度对应力分布的影响。结果温度场计算表明,在涂层浸入铝熔体0.1 s时,涂层表面就达到了铝熔体温度。随着涂层浸入铝熔体的时间增加,涂层内的温度分布逐渐由指数分布转变为近线性分布,而且涂层内的温度梯度也随着时间的增加而减小。相应涂层中的应力在相当短的时间内就达到了最大值,并随着加热时间的增加,最大应力值逐渐减小。涂层预热温度越高,在陶瓷层中的轴向应力和环向应力均越小,预热温度对轴向应力的影响更加明显。随着陶瓷层厚度的增加,陶瓷层内的轴向应力和环向应力值均增加,粘结层内的轴向应力和环向应力值均减小。结论对热障涂层进行预热处理可以有效降低涂层中的热应力值。涂层厚度增加,陶瓷层内应力随之增加,粘结层内应力随之减小,且陶瓷层厚度对粘结层中的应力影响更加明显。     

TGO厚度和界面形貌对新型涂层双管系统应力分布的影响

以700℃新型涂层双管系统为研究对象,采用有限元顺次耦合的计算方法,开展了热机载荷作用下TGO厚度和界面形貌对系统应力分布的影响研究。结果表明:TGO的厚度与其界面粗糙度均会对系统的Mises应力分布产生影响,但是与TGO厚度相比,粗糙度对TGO/BC界面靠近波峰处的Mises应力影响更加显著。此外,在TGO界面幅值和波长一定的条件下,不同的界面波形排列不会直接影响系统TGO/BC界面波峰处的Mises峰值应力;由于幅值和波长变化有效地改变了TGO界面的曲率,它们是控制涂层双管系统TGO/BC界面应力分布的关键特征参量。     

等离子喷涂Mo/8YSZ功能梯度热障涂层结构优化与热力耦合模拟计算

目的研究不同结构参数对Mo/8YSZ热障涂层系统残余应力的影响因素。方法设计Mo/8YSZ功能梯度热障涂层,并利用ANSYS有限元软件建立了等离子喷涂Mo/8YSZ功能梯度热障涂层的数值模型,模型中考虑了材料热物理性能参数随温度变化,研究粘结层、过渡层及陶瓷层厚度对Mo/8YSZ功能梯度热障涂层残余应力的影响规律。结果随着径向距离的增大,粘结层与陶瓷层界面的残余应力逐渐由压应力变为拉应力,并且在涂层边缘位置,径向残余拉应力达到最大值。在0~12 mm路径范围内的同一位置,伴随着陶瓷层厚度的增加,粘结层与陶瓷层界面位置的轴向残余应力无明显变化,且轴向残余应力的数值几乎为0;在6~12.5 mm路径范围内的同一位置,伴随着陶瓷层厚度的增加,其剪切残余应力逐渐增大。在基体与粘结层界面边缘0.5 mm处存在着与其他位置相比更大的应力突变。粘结层与陶瓷层的厚度参数比控制在4∶10~4∶13时,涂层具有最低的热失配。过渡层与陶瓷层的厚度参数比控制在1∶4时,涂层具有最低的热失配。当功能梯度热障涂层的过渡层采用50%Mo与50%8YSZ复合而成时,将粘结层、过渡层及陶瓷层三者的厚度比值控制在16∶10∶40~16∶13∶52,涂层具有最低的热失配。结论通过设计功能梯度热障涂层,并合理调控热障涂层系统的结构参数,可进一步减小喷涂构件的残余应力和应力突变情况,提升基体与涂层的结合强度。     

基于遗传算法的热障涂层寿命微观影响因素

热障涂层寿命受到界面波长和幅值等微观因素的影响,但对其影响机制并不清楚。首先,基于Manson-Coffin公式和累计损伤理论,建立热障涂层寿命预测模型,并将拟合问题转化为优化问题,采用遗传算法求解寿命模型中的系数。然后,基于涂层试验数据建立热障涂层二维轴对称有限元模型,研究并确定可用于准确预测涂层寿命的应力应变信息类型。最后,采用响应面法选取陶瓷层厚度、黏结层厚度、界面波长和幅值作为影响因素,开展涂层寿命的微观影响因素研究。结果表明,使用循环等效应变范围进行涂层寿命预测的最大误差和平均误差最小,分别为50%和21%;涂层寿命随陶瓷层厚度的增加略微上升,随黏结层厚度的增加先下降后上升,随界面波长的增加先上升后下降,随界面幅值的增加而下降,且界面幅值对涂层寿命的影响最大;最优组合的涂层寿命为947次循环,与初始值相比提高了163.1%。给出不同涂层厚度下使涂层寿命达到极值的波长与幅值选择公式,研究成果可为热障涂层的寿命预测和结构优化设计提供方法与理论指导。     

可计及温度与层状结构影响的超高温陶瓷基复合材料涂层残余热应力理论表征模型

目的创建可计及温度与层状结构共同影响的超高温陶瓷基复合材料涂层与基体层因热不匹配导致的残余热应力的理论表征模型。方法基于经典的层合板理论与超高温陶瓷基复合材料热物理性能参数对温度的敏感性研究,引入温度和层状结构对涂层与基体层所受残余热应力的影响,形成各层残余热应力温度相关性的理论表征方法,并以ZrB_2-SiC复合材料涂层为例,利用该理论方法系统地研究了各种控制机制对残余热应力的影响及其随温度的演化规律。结果超高温陶瓷基复合材料涂层与基体层所受的残余热应力随着温度的变化而变化,涂层热膨胀系数与基体层热膨胀系数差别越大,变化幅度越大。当涂层材料热膨胀系数大于基体层材料热膨胀系数时,涂层材料遭受残余拉应力,基体层材料遭受残余压应力;随着涂层厚度的增加,涂层所受拉应力减小,而基体层所受压应力增大;当涂层材料热膨胀系数小于基体层材料热膨胀系数时,涂层材料遭受残余压应力,基体层材料遭受残余拉应力;随着涂层厚度的增加,涂层所受压应力减小,而基体层所受拉应力增大。低温下,各层所受残余热应力对层厚与每层材料组成的变化比较敏感,随着温度的升高,敏感性降低。结论对于涂层材料,应设计涂层材料的热膨胀系数小于基体层材料的热膨胀系数,使涂层遭受残余压应力,这不仅能够降低材料表面产生裂纹的危险,同时可以抑制表面已有缺陷的扩展。同时应当设计相对较小的涂层厚度,以增大涂层所受的残余压应力,降低基体层所受的残余拉应力,有效提高整体材料在不同温度下的强度性能。     

陶瓷/金属连接界面残余应力缓解策略研究

随着服役环境恶劣化和加工制造复杂难度增加,对陶瓷/金属异质结构综合性能提出了更高的要求。目前钎焊技术被广泛应用于陶瓷与金属异质材料连接,而二者焊接接头残余应力缓解难题非常棘手。残余应力对陶瓷/金属连接性能有极大影响,其大小受多种因素影响,因此系统概述陶瓷与金属焊接残余应力状态与分布规律,从工艺参数优化、施加中间层、复合钎料和表面结构设计4种缓解途径进行系统评述,最后展望了未来陶瓷/金属异质结构残余应力研究面临的机遇和挑战。     

陶瓷-金属多层涂层不同温度循环冲击损伤特征与演化规律

目的 探讨环境温度对陶瓷-金属多层涂层冲击损伤的影响,获得不同温度条件下涂层的冲击损伤特征,揭示陶瓷-金属涂层在温度与循环冲击共同作用下的失效机理,为多层涂层的设计和使用提供参考.方法 首先使用可调温度的速度控制型单颗粒循环冲击设备,对陶瓷-金属多层涂层在不同温度(35、200、350、500℃)下进行垂直冲击试验.采...     

基于ANSYS生死单元法的多层等离子喷涂体系仿真

根据等离子喷涂的特点,采用ANSYS有限元软件中的单元生死法,建立多层等离子喷涂涂层体系直接热力耦合有限元模型。对等离子喷涂Ni/WC涂层每一层的温度场和应力场进行了分析。结果表明:随着沉积层的增多,涂层温度升高,至喷涂最外层时温度最高,可能会造成涂层表面烧损;喷涂端面热量积累多,对减小残余应力不利;涂层与基体结合面多次反复经历迅速升温降温,容易造成应力集中。基体与涂层的结合界面是残余应力高度集中区,其残余应力值大于涂层外表面的值;残应余力的最大值是径向拉伸应力;较低的冷却速率和冷却系数可减少残余应力的分布。     

界面形貌对热障涂层残余应力影响的数值模拟

利用ABAQUS有限元分析软件对热障涂层中的残余应力进行了模拟分析,研究了不同界面微结构及其尺寸(包括圆弧半径、高度)对平行和垂直于界面的残余应力最大值的影响。结果表明,界面形貌结构尺寸与热障涂层中的陶瓷层及粘结层界面残余应力有密切的关系,凹凸不平的界面将会使界面残余应力发生突变,界面形貌的曲率对残余应力的影响较大。这些结论为提高涂层界面结合强度提供了理论支持,也为热障涂层界面的优化提供了指导。     

高温拉压环境下DZ125高温合金的热障涂层失效

采用电子束物理气相沉积法（EB-PVD）在定向凝固Ni基高温合金DZ125基体上制备了NiCoCrAlY粘结层和YSZ陶瓷层，研究了高温拉压环境下热障涂层的失效模式，并对其进行了有限元分析。实验结果表明，热障涂层的失效与仅受热载荷作用下的有很大不同，仅有热载荷作用下的热障涂层裂纹多萌生于热氧化层（TGO）内部，进而扩展引起热障涂层的失效。而高温拉压试验后热障涂层体系存在两种裂纹，分别萌生于TGO／粘结层界面和粘结层／扩散层界面附近。有限元模拟结果显示TGO／陶瓷层和TGO／粘结层处存在应力状态的转变和应力值的突变，径向应力的突变导致了界面分离现象的产生，而轴向应力的突变加速了垂直于界面裂纹的扩展，并导致了试样的最终断裂。     

等离子喷涂TiO2基涂层工艺参数优化研究

目的对TiO_2基涂层的等离子喷涂工艺参数进行优化。方法采用正交实验、基材温度采集并结合涂层微观形貌分析、能谱分析、结合强度试验、显微硬度测试等方法,研究了喷涂电流、喷涂距离、主气流量对涂层组织及性能的影响规律,并获得了优化的喷涂工艺参数。结果涂层分熔融区和部分熔融区,呈现双模结构的混合微观结构特征,截面形貌凹凸不平,并以机械结合为主。拉断后,涂层断裂面呈韧窝状,由陶瓷层到粘结层呈台阶状过渡,陶瓷层整体的内聚结合强度优于陶瓷层与粘结层结合界面的结合强度。涂层条带状夹杂随着粉末流到达基板的温度的增加而减少,对结合强度影响不显著,但对硬度影响较显著。等离子喷涂过程中,粉末流到达基板的温度在一定范围内时,涂层性能随着粉末流到达基板的温度的增加而增加,但粉末流到达基板的温度过大,涂层性能降低。结论获得最优涂层必须采用最优工艺参数,工艺参数对涂层综合性能的影响主次顺序为喷涂电流、喷涂距离、主气流量,得到的优化工艺参数为:喷涂电流350 A,喷涂距离110 mm,主气流量2100 L/h。     

热障涂层的三维界面形貌与热应力关系

使用等离子喷涂方法制备出双层热障涂层(粘结层为Ni-Cr-Al-Y,陶瓷层为ZrO2).使用ABAQUS有限元分析软件,采用间接耦合分析的方法,模拟计算了喷涂过程中陶瓷层/粘结层间三维结构椭圆界面的应力场分布,得出了粘结层表面三维椭球形貌单元位置和尺寸与热应力分布之间的关系.模拟结果表明,涂层制备后,椭球形貌单元位置和...     

EB-PVD热障涂层系统界面应力的理论分析

目的获得热障涂层系统危险界面应力解析解及其变化规律。方法基于弹性理论,推导出能同时考虑氧化物热生长及其形貌、CaO-MgO-Al2O3-SiO2(CMAS)沉积、温度变化、材料参数不匹配的危险界面应力分布的解析解。分别研究热循环中氧化层热生长和CMAS沉积对热障涂层界面应力的影响,并从应力演化的角度对危险界面微裂纹的萌生和扩展进行预测。结果理论分析显示,当系统经历24个热循环后,陶瓷层/氧化物层界面波谷应力σv从最初的0增加到301.44MPa。氧化物层/粘结层界面波峰应力σp从最初的617MPa增加到1189.89MPa。当CMAS沉积深度hCMAS从0增加到150μm时,应力σv从170.26MPa增加到443.37 MPa,应力σp从1317.83 MPa减小到1050.17 MPa。结论氧化物热生长可以促使陶瓷层/氧化物层界面波谷和氧化物层/粘结层界面波峰裂纹的萌生和扩展。CMAS沉积将进一步促使陶瓷层/氧化物层界面开裂,然而对氧化物层/粘结层界面的开裂有抑制作用。解析解的计算结果与先前的有限元分析结果和模型试验结果相近,证明了该理论方法计算界面应力的准确性。     

反应等离子喷涂TiN涂层热处理后力学性能研究

用反应等离子喷涂方法制备了厚度约为500μm的TiN陶瓷涂层,而后对其进行在不同温度,时间,保护气氛下的退火处理,并对涂层的硬度,断裂韧性及残余应力进行了测量。借助SEM对涂层形貌进行了表征,采用XRD测量涂层的残余应力。结果表明:在大气中600℃退火后,涂层硬度最高。而在Ar800℃处理后,涂层韧性有了明显的改善。涂层残余应力为压应力,并且涂层内的残余应力随着热处理温度的升高而增大。     

等离子喷涂热障涂层逐道沉积累积应力的模拟

运用ANSYS12. 0 软件,对等离子喷涂热障涂层逐道沉积过程中的累积应力进行了有限元模拟。结果表明,涂层制备过程中,已喷涂层的温度随喷枪移动呈周期性大幅波动,这种快速热冲击使得涂层中产生了相应的应力波动。涂层喷涂结束并冷却至室温后,边缘存在应力集中,陶瓷层与粘结层的界面边缘处最大切向拉应力为122 MPa。涂层各界面中部应力值呈波浪状周期性浮动,X 方向应力是主要的应力形式。     

热障涂层系统的热梯度机械疲劳应力分析

基于IN738高温合金基体上涂覆的热障涂层系统(Thermal barrier coating system,TBCs),分析热循环和热梯度机械疲劳加载条件下涂层的应力分布及演变。通过有限元分析研究了热生长氧化层(Thermally growth oxidation,TGO)的应力分布,以预测不同载荷作用下TBCs的失效行为。结果可知,在热循环的基础上施加应变载荷会造成TGO应力性质及大小的改变。只施加温度载荷,在加热过程中TGO/粘结层(Bond coat,BC)界面波峰位置会承受轴向较大的拉伸应力,裂纹多会在此处萌生,且以层间开裂的方式失效。而在温度与机械载荷的共同作用下,冷却过程中会承受较大的拉伸应力,显著增大的轴向应力与径向应力共同作用,使垂直于TGO/BC界面的裂纹沿着界面方向扩展,从而造成陶瓷层(Top coat,TC)剥落。进一步对比分析了同相和反相加载时的应力分布,结果表明反相加载时一次循环周期内会产生拉伸平均应力,更易发生TBCs的失效。     

TGO界面特征对热障涂层残余应力的影响

采用非线性有限元方法模拟计算了热障涂层中陶瓷层(TCC)及粘结层(BC)与热生长氧化物(TGO)层界面的残余应力的分布,计算过程中,考虑到了材料物性的非线性特征及界面形貌特征的影响.结果表明,形貌单元尺寸及分布密度对TGO界面应力有明显的影响,TCC/TGO界面的应力大于BC/TGO界面的应力.在锥形坑形貌中心尖点处存在应力集中现象,且呈现最大应力值,是涂层失效的危险点,并且残余应力值随着界面形貌分布密度的增加而减小.     

热喷涂纳米结构La_2Zr_2O_7(LZ)/8YSZ双陶瓷热障涂层

为了满足发动机以及涡轮机越来越高的性能要求,双陶瓷热障涂层逐渐取代单陶瓷层的8YSZ涂层,成为可以长期使用温度高于1 200℃的新型陶瓷涂层。采用等离子喷涂方法制备了La2Zr2O7(LZ)/8YSZ双陶瓷热障涂层,并同时制备了微米结构和纳米结构的单层8YSZ陶瓷涂层作为对比。通过X射线衍射仪和扫描电子显微镜研究了粉体喂料和涂层的组织结构。采用对偶拉伸试验法、水淬方法和日本工业标准等研究了涂层的结合强度、隔热效果、热震行为以及高温抗氧化行为。结果表明,与单层的8YSZ陶瓷层相比,双陶瓷型n-LZ/8YSZ涂层的隔热效果提高了35%,热震次数增加了一倍,热氧化失效时间延长了100多小时,具有较佳的隔热效果、抗热震性能以及抗高温氧化性能。