等离子喷涂热障涂层中应力分布的有限元模拟

采用热弹性有限元方法研究了热载荷条件下由数值模拟方法生成的热障涂层冷却至室温后的应力分布,分析了热生长氧化物(TGO)层及其厚度对热障涂层应力分布的影响,并与文献的试验结果进行了对比。结果表明:不含TGO层的热障涂层,陶瓷层和粘结层的凸起处为拉应力,凹陷处为压应力;TGO层形成后,陶瓷层凸起处表现为压应力,凹陷处表现为拉应力;界面附近的陶瓷层在TGO层达到一定厚度时出现应力反转现象,且该现象的出现随着界面粗糙度的增大而延迟;模拟预测的应力与文献报道的结果相近,证明了模拟结果的正确性。     

柴油机活塞阳极氧化对结构可靠性的影响

为了探究氧化层对活塞结构可靠性的影响,以柴油机铝质活塞为研究对象建立活塞三维模型,结合试验数据对活塞温度场、热应力场和热机耦合场进行有限元模拟计算和对比分析。分析结果表明,在最大负荷工况下,阳极氧化的铝基体活塞最高温度和最大热应力较原始活塞分别下降6.58℃和14.1MPa;阳极氧化区域产生了拉应力。因此,在设计中,原始活塞顶面受压应力的区域应覆盖氧化层以平衡压应力,在原始活塞顶面受拉应力的区域应不覆盖氧化层以避免增大拉应力。活塞顶面应力状态得到改善后可以减少顶面裂纹产生,提高活塞的使用寿命。     

含抗氧化夹层热障涂层界面应力特性的研究

通过喷涂等工艺技术,在热障涂层粘结层和陶瓷层之间预制Al2O3夹层,能有效抑制热障涂层高温不规则氧化生长及其所导致的失效.但是,预制的Al2O3夹层又会导致热障涂层界面应力场重新分布.文中针对热障涂层界面三维形貌特征,利用弹性理论中的空心球模型,考虑陶瓷层(ZrO2层)、夹层(Al2O3层)、氧化层(thermally grown oxide, TGO)及粘结层(bondcoat, BC),建立三维四层球模型的理论分析,并推演出相应的应力解析式.文中通过凹凸两种界面形貌下抗氧化夹层的算例分析,表明以上分析方法能有效模拟夹层对热障涂层界面应力分布规律的影响.     

热障涂层抗氧化夹层界面残余应力分析

通过喷涂等工艺预制的Al2O3夹层能有效抑制热障涂层高温不规则氧化生长及其所导致的失效.但是,预制的Al2O3夹层又会导致其界面应力重新分布.针对热障涂层界面三维形貌特征,考虑陶瓷层(ZrO2层)、夹层(Al2O3层)、氧化层及粘结层,建立了三维四层球模型,并推导出相应的应力解析式.凹凸两种界面形貌下抗氧化夹层的算例分析表明,抗氧化夹层厚度对热障涂层界面残余应力分布规律有很大的影响.     

热障涂层系统中TGO应力生成的数值模拟

采用有限元分析软件ABAQUS对热障涂层系统中TGO的应力生成进行了数值模拟.基于实验测得的TGO生成厚度和材料性能参数,研究了热氧化循环载荷中TGO应力产生的机理和影响因素,验证了材料属性转化方法模拟TGO生成过程的有效性.结果表明,热膨胀系数差异和TGO高温生长是导致TGO应力产生的主要原因,TGO厚度的增加导致了外层TGO中拉伸应力的产生,随着厚度的增加该应力逐渐增大.当TGO达到某一厚度时,该应力保持恒定.     

带热障涂层构件界面应力分析边界元法

提出带热障涂层构件二维应力分析边界元法。对薄体应力分析边界元中近奇异积分处理方法进行完善及改进，并将其推广应用于热应力及离心应力边界元分析，提出可以考虑温度及离心载荷的多层域结构应力分析边界公式，数值算例结果表明，采用本文方法可用少量单元得到梯度温度场，面力和／或离心载荷条件下涂层界面应力分布，三种载荷情况下界面切向拉伸应力的最大相对误差小于0．23％，本方法可作为带热障涂层构件设计及涂层剥落失效分析的有效工具。     

Fecralloy基体热障涂层TGO热生长应力的理论计算和数值模拟

热生长氧化物(TGO)的生长应力是导致热障涂层系统(TBCs)失效的关键因素。通过建立Fecralloy金属矩形薄板模型,研究在不含初始缺陷的热障涂层系统中TGO氧化生长机理,分析该模型在高温热循环过程中的应力与应变,并在涂层经历热循环后代入相应的材料参数得到TGO热生长应力的理论结果;通过有限元软件ABAQUS模拟模型热循环过程,获得了TGO热生长应力的数值模拟结果;将数值模拟结果与理论计算值进行比较。结果表明,理论计算结果与模拟结果具有很好的吻合性,证明了理论分析方法的正确性,为以后热障涂层系统的失效分析以及疲劳寿命的预测提供了参考。     

反应堆压力容器内壁环形锻件焊接残余应力三维有限元数值模拟

某新型反应堆压力容器内壁设计了环形锻件与筒体内壁焊接的环形焊接结构。该种结构形式的焊缝首次在反应堆压力容器中出现,无成熟经验可以借鉴。为了了解该种复杂结构形式及大厚度焊缝的焊接残余应力幅值及分布规律,基于ANSYS有限元分析软件,建立了反应堆压力容器内壁环形锻件多层多道焊接三维有限元模型。在此基础上,以带状移动温度热源作为焊接热源模型计算出多层多道焊接的瞬态温度场结果,采用热-力间接耦合法,得到了焊接应力场计算结果。模拟结果表明,焊缝区域环向应力从上表面到下表面分布趋势为拉应力-压应力-拉应力,呈现自平衡的分布形式。根部焊道区域的环向应力为拉应力。焊缝上轴向应力最大为300 MPa左右;焊缝上下表面径向应力较大,达到400～500 MPa左右;峰值等效应力出现在焊缝根部区域,幅值最大约700 MPa。     

热障涂层粗糙表面弹塑性接触应力分析

含热障涂层的发动机零部件能有效提高抗热性能,但微接触作用下的部件涂层表面的应力分布规律及失效形式直接影响发动机可靠性。以热障涂层与榫头接触作用为背景,将其抽象为含规则粗糙峰的刚性表面与热障涂层微接触模式,利用弹塑性接触有限元方法分析涂层表面下的压力及应力分布,研究压入深度、涂层厚度、弹性模量和屈服强度对于涂层压力及残余应力分布的影响。     

功能梯度Al2O3涂层残余热应力分析

Al2O3/316L功能梯度材料是一种聚变反应堆第一壁的候选材料。为避免制备过程中因材料之间热物理性能差别产生的热应力过大造成材料的失效,须对梯度材料进行合理的热应力缓和设计。运用有限元软件,分析成分分布指数、梯度涂层厚度和梯度层数目等参数对Al2O3/316L功能梯度材料残余热应力的影响。分析结果表明：体积分布指数p=1.0时所受热应力最小,涂层承受压应力作用;梯度层数为9时热应力缓和效果最好;梯度层厚度不宜过大;将非功能梯度材料与优化后的功能梯度材料的残余热应力进行比,结果显示：功能梯度材料缓和热应力效果十分显著。最后利用等离子喷涂方法制备了梯度涂层测试涂层残余应力,并与有限元结果进行对比,以验证模拟的准确性。     

毫米波检测热障涂层缺陷的方法研究

在毫米波段利用CST微波工作室仿真软件对热障涂层脱黏和热生长氧化层(Thermal growth oxide,TGO)的无损检测进行理论仿真研究,目的是确定不同工作频率段检测时的检测灵敏度和分辨率,以指导试验检测中波导探头的选择。在40～50 GHz和50～60 GHz两个频率段对热障涂层中陶瓷顶层和黏结层间的脱黏检测进行研究,主要包括由裂缝演变为脱黏时脱黏宽度的检测,脱黏面积及形状的检测和脱黏层厚度的检测。在18～26.5 GHz,26.5～40 GHz,40～50 GHz和50～60 GHz4个频率段对热障涂层中TGO层的厚度进行检测。结果显示,在毫米波段可以利用反射系数的相位差来良好的表征长脱黏的宽度,面脱黏时的脱黏面积,大脱黏时的脱黏深度以及TGO层的厚度;采用的工作频率越高时检测的灵敏度越高,并且对检测参数的检测分辨率越高。     

热障涂层折射率与厚度的太赫兹无损检测

精确提取陶瓷层（Top coat,TC）与热生长氧化层（Thermally grown oxide,TGO）层在太赫兹频段的折射率是进行热障涂层（Thermal barrier coatings,TBCs）太赫兹无损检测研究的重要条件。由于对涂层样品只能采取反射式测量,所以首先比较了反射式与传统透射式测量条件下提取样品太赫兹光学参数及厚度的结果,随后利用反射式太赫兹时域脉冲成像系统提取等离子体喷涂的8YSZ热障涂层（TBCs）中TC层与TGO层的折射率,并依据所提取折射率进一步对TC层的厚度分布进行测量及成像。试验结果表明在材料中衰减较小的有效频段下反射式测量同样可以精确提取样品的折射率以及厚度,反射式测量TC层的平均折射率为5.23,TGO层的折射率为2.91,TGO的主要成分α-Al₂O₃的折射率为2.85。TBCs样品中TC层的平均厚度为257 μm,从TC层厚度的太赫兹图像中可观察到TC与粘结层（Bond coat,BC）界面的不均匀程度。反射式太赫兹无损检测可精确提取TBCs中TC与TGO的折射率和厚度,这对于TBCs中裂纹和气泡等缺陷的识别以及TGO生长太赫兹检测具有重要意义。     

热障涂层层状裂纹的位置对断裂性能的影响

广泛应用于热能动力的热障涂层在高温工作环境下,由于温度梯度产生的热应力不匹配会导致热障涂层层裂或剥落失效。本文针对热障涂层层裂问题,考虑热应力不匹配因素,建立热障涂层层裂I/II复合型断裂准则,并针对分层裂纹在陶瓷层与粘结层界面上和附近的3种位置存在形式,进行了热障涂层结构单裂纹层裂的算例分析。结果表明界面处层裂纹对应变能释放率影响最大。     

活塞顶面热障涂层对活塞热负荷的影响

活塞顶面热障涂层可以有效降低活塞工作热负荷、提高活塞使用寿命。以一款非道路高压共轨柴油机铝合金活塞为研究对象,采用硬度塞测温法试验测试了无热障涂层活塞在最大转矩工况下表面19个特征点的温度值,同时采用等参法建立了活塞有限元仿真分析模型,对比分析了活塞顶面热障涂层对活塞温度场和热应力场的影响。研究结果表明：活塞顶面热障涂层能有效降低活塞头部和环槽区域的工作温度,活塞头部顶面区域温度下降幅度为20~32 ℃,一环和二环的环槽区域温度下降幅度为15~18 ℃;但活塞顶面采用热障涂层后,活塞基体顶面黏结层区域的热应力会急剧升高,活塞基体顶面、喉口区域以及边缘棱角处热应力集中现象明显,在活塞顶面喉口黏结层区域最大热应力达到291MPa,易导致热障涂层的剥落失效。     

铝硅聚苯酯封严涂层抗热冲击性能的数值模拟研究

铝硅聚苯酯封严涂层在航空发动机中有着广泛的应用,抗热震性能是评价其可靠性的重要标准。采用三点弯曲法测得封严涂层弹性模量,结合有限元软件ABAQUS对封严涂层热冲击过程中的应力分布进行模拟,探究粘接层厚度对应力变化的影响。结果表明,在一定范围内,随着粘接层厚度的增加,涂层表面应力和层交界处拉应力呈下降趋势,但部分点的压应力增加。结合封严涂层热震试验,目前的封严涂层抗热震性符合使用标准,为了进一步提高涂层抗热震性,可适当增加粘接层厚度。     

TiN涂层中表面裂纹产生的机理研究

为了揭示滑动摩擦接触条件下的Ti N涂层表面裂纹的形成机理,对Ti N涂层进行了划痕试验和有限元模拟。划痕试验结果表明在划痕表面产生了平均间距约为5.12μm的弧型裂纹。采用三维有限元方法对划痕过程进行了模拟,模拟结果表明了涂层结构中的应力分布的特点。采用二维扩展有限元方法(XFEM)对划痕过程中的涂层的裂纹产生进行了模拟,模拟结果表明涂层中表面及界面裂纹主要是由最大拉应力引起的第一型裂纹;涂层亚表面裂纹是一种由拉应力和剪应力引起的复合型裂纹。表面裂纹的形成有三种方式:第一种方式是首先在涂层界面产生微裂纹,随着裂纹沿着厚度方向扩展到表面形成表面裂纹;第二种方式是在涂层表面直接形成表面裂纹;第三种方式是微裂纹首先在涂层亚表面形成,然后沿着厚度方向扩展到表面形成表面裂纹。模拟中发现在表面和界面首先产生微裂纹的数量比亚表面产生微裂纹的数量更多。随着裂纹的扩展和融合将导致涂层的剥落。     

H型钢空冷过程中残余热应力的有限元分析

借助于LS-DYNA有限元软件,在H型钢轧制全程有限元分析的基础上,对轧后H型钢空冷过程进行了三维热力耦合有限元分析,分析了不同热定尺情况下H型钢残余热应力的分布.结果表明:该热轧H型钢因轧后断面温度场的分布不均匀导致空冷过程中残余热应力的分布状态复杂,其中沿轧件长度方向上的残余热应力在腹板部位整体表现为压应力,可达160 MPa以上,而翼缘中心和腰腿连接部位表现为拉应力;H型钢宽度方向的残余应力影响长度方向上的应力分布,当采用热锯定尺小于3 m时,随着长度的减小沿长度方向的残余热应力相应减小.     

梯度结构对氧化铝陶瓷涂层接触应力的影响

采用幂指数描述"三明治"式梯度结构形式,建立镍基氧化铝梯度陶瓷涂层在静态接触集中力载荷作用下有限元模型,分析静态接触集中力载荷作用下涂层的Mises应力分布,以及梯度层的厚度、中间层数及结构形式对涂层的Mises应力分布及最大Mises应力发生位置的影响。结果表明:梯度结构对接触区Mises应力大小及分布影响不大,但影响最大Mises应力发生位置;合理的梯度结构能避开最大Mises应力发生在表面强化区及梯度区中,防止陶瓷涂层在接触载荷作用下疲劳脱落。制备层状结构梯度陶瓷涂层时,采用氧化铝层厚度20μm、线性梯度层厚度80μm、8层中间层,可改善Mises应力,适当避开最大Mises应力发生在梯度区。     

热障涂层在机械载荷与激光联合作用下的变形与破坏研究

在以激光器为热源和机械加载的工作环境中对热力联合作用下含有梯度层的热障涂层的变形和破坏行为进行研究。通过实验,分析讨论热障涂层破坏形式以及涂层厚度和梯度层的影响。在有限元分析中,考虑材料的塑性变形以及物理性质随温度变化的情况,模拟实验过程中应力和应变的时空分布,模拟结果与实验观察现象和结果吻合良好。     

拉应力对P92马氏体耐热钢高温氧化行为的影响

将不同拉应力(0~120 MPa)作用下的P92钢在650℃空气中氧化不同时间(0~400h),得到了该钢的氧化动力学曲线并分析了其表面氧化层的形貌和物相组成。结果表明:在不同拉应力作用下,试样表面的氧化层主要由FeCr_2O_4、MnCr_2O_4、Cr_2O_3和Fe_2O_3组成;氧化层厚度随氧化时间的延长而增加,厚度增加速率随拉应力的增大而增加;在氧化初期施加拉应力时试样的表面氧化层厚度小于未施加拉应力的,当氧化时间延长到80h以后则大于未施加拉应力的,且随拉应力的增加继续增大;氧化400h时,当拉应力不大于80MPa时试样表面的氧化层致密,当拉应力达到120 MPa后氧化层出现微裂纹。