热障涂层界面形貌尺寸与残余应力的关系

利用ANSYS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，得出了界面形貌尺寸与残余应力之间的关系。模拟结果表明，热障涂层中的残余应力是界面形貌尺寸的函数。这些结论为提高涂层界面结合强度的热障涂层界面造形提供了理论支持，也为热障涂层界面的优化提供了指导意见。     

热障涂层界面微结构尺寸与残余应力关系的数值模拟

利用有限元方法,对热障涂层热循环降温过程中产生的残余应力进行了数值模拟。以无尖点正弦波形界面形貌为对象,研究了其微结构尺寸（包括微坑间距,宽度和深度）对平行和垂直于界面的残余应力最大值SMX和SMY的影响规律。结果表明,在本文所给定的尺度范围内,微结构尺寸为SMX和SMY均有影响,但对SMY的影响要更为显著;在微坑深度,宽度和间距等3个微结构尺寸参数中,微坑深度对界面残余应力的影响最大。     

界面粗糙度对双层热障涂层残余应力影响的数值模拟

运用ANSYS有限元分析软件模拟了双层热障涂层（ZrO2/NiCrAIY）在制备过程中的温度场，在此基础上，进行热-应力耦合计算分析试样的残余应力，重点计算了不同基体表面粗糙度条件下的残余应力分布。结果表明：试样的温度分布呈不均匀变化，与实际喷涂过程相近；双层热障涂层的最大残余应力集中在粗糙界面的凸起与凹坑部分；涂层内的等效残余应力随表面粗糙度的增大整体呈增大趋势，在Rα=30μm附近时，等效残余应力较小，同时压应力较小。     

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。     

界面粗糙度对热障涂层残余应力和裂纹演化的影响

由于残余应力的作用是造成热障涂层失效剥落的主要因素之一,本工作采用不同幅值的正弦曲线来模拟粗糙度对陶瓷层(TBC)-结合层(BC)界面处残余应力分布的影响;以内聚力模型模拟TBC-BC界面,研究了在外加机械载荷作用下粗糙度对界面裂纹萌生和扩展的影响。结果表明,粗糙度对残余应力分布以及裂纹的形核与扩展有很大的影响。随着粗糙度的增大,陶瓷层和结合层靠近界面的波峰波谷处最大拉/压应力也增大。当施加一定拉伸位移载荷时,最大损伤与裂纹首先在幅值最小的波峰波谷处产生。     

基体预热温度对热障涂层热残余应力影响的研究

研究了用等离子喷涂工艺制备ZrO2-NiCrAl-LD-8基体的热障涂层过程中,基体预热温度对热障涂层热残余应力的影响.通过有限元计算分析,表明选择合适的基体温度,能大大降低热障涂层的热残余应力,为喷涂制备过程中基体预热温度的选择提供了参考.     

热喷涂涂层残余应力的测试与分析

利用改进的Ａｌｍｅｎ试验方法对多种热喷涂涂层的残余应力进行了测试与分析。首次提出了热喷涂涂层应变滞后于温度或外加应力这种现象的物理模型,并提出了因热喷涂涂层本身的多孔特性而引起的“气塞”作用是造成这一现象的主要原因。试验证明了热喷涂涂层的残余应力与涂层的厚度是线性关系,并且无论涂层的残余应力是压应力还是拉应力,它们都随涂层厚度的增加而增大。本文还证实了热喷涂工艺方法对涂层残余应力有着重大的影响,其     

界面形貌对清障涂层界面残余应力影响的数值模拟

利用有限元方法,对热障涂层热循环降温过程中产生的残余应力进行了数值模拟,研究了有尖点和无尖点正弦波形微坑以及短形微坑对界面残余应力的影响,结果表明,微坑形状不同,界面上残余应力的大小,性质与分布也不同;微坑的形状变化和尖点的出现,将会使该处的应力发生突变,不利于增强界面结合强度,因此,从对热障涂层界面残余应力的影响角度看,无尖点的正弦波形微坑既优于有尖点微坑也优于矩形微坑。     

热障涂层TGO层的残余应力分析

用HVOF(CoNiCrAlY)+SFPB+APS(8YSZ)制备热障涂层,经1000℃高温氧化2,26,310h后,用EDS和拉曼荧光光谱对涂层进行分析。高温氧化2h,首先生成的是γ-Al2O3,此后,γ-Al2O3向α-Al2O3转化。拉曼荧光光谱检测和理论计算表明,高温氧化过程中,TGO中的微观热生长残余应力先增加后降低,310h高温氧化后微观热生长残余应力比26h高温氧化后的低0.476GPa。SFPB技术使粘结层表层区域产生扩散通道,高温氧化的瞬态阶段,大量比Al3+半径大的其它离子通过此扩散通道,抑制了γ→θ→α的相变。最终形成了以α-Al2O3为主相的TGO抗高温氧化层。     

预氧化处理对热障涂层热冲击性能及残余应力的影响

采用等离子喷涂工艺在镍基高温合金基体上制备了热障涂层(底层为MCrAlY,面层为ZrO2+ 8％ Y2O3),通过控制高真空烧结炉的氧分压对涂层进行预氧化处理,分析了预氧化处理对热障涂层热冲击性能和涂层应力状态的影响.结果表明,预氧化处理提高了粘接层的致密度,涂层组织变得均质化,降低了粘结层由于凸起尖角产生复杂应力的概率;有效干预热生长氧化物(TGO)的生长过程,降低了TGO的生长速度;热障涂层残余应力随热冲击次数的增加而增大,但经过预氧化处理的涂层应力增长幅度较缓慢,经过400次热冲击后的残余应力为492.5 MPa,未经过预氧化处理涂层热冲击350次后应力值为650.1 MPa.     

Sm2Ce2O7/YSZ功能梯度热障涂层的残余热应力

目的研究基体材质、厚度及半径对Sm_2Ce_2O_7/YSZ功能梯度热障涂层残余热应力的影响。方法采用ANSYS10.0软件中Plane13单元,通过直接耦合计算,系统分析了不同基体条件下,Sm_2Ce_2O_7/YSZ功能梯度热障涂层的残余热应力。结果在Sm_2Ce_2O_7/YSZ功能梯度热障涂层中存在较大的残余热应力。涂层残余热应力随时间的增加而逐渐降低,900 s后基本维持稳定。涂层径向热应力从中心处到试样边缘逐渐递减。2Cr13对应的涂层应力最小。金属基体厚度在2~10 mm范围内,径向热应力虽然增加,但变化幅度不大。当基体厚度为20 mm时,涂层径向热应力则显著增加。金属基体半径对涂层的最大剪切应力并不产生影响,轴向热应力随基体半径的增加而逐渐降低,径向热应力随半径增加到一定值后趋于稳定。结论 2Cr13钢基体对应的涂层具有最小热应力,基体厚度为10 mm时比较合适,基体半径对涂层轴向热应力的影响最明显。     

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。     

热生长下热障涂层残余应力及失效分析

针对典型热障涂层结构以界面开裂和涂层剥落为主要失效模式,考虑界面凹凸微观形貌特征,借助材料转换的方法实现氧化生长,利用粘弹塑性有限元法,研究了氧化层热生长和蠕变等因素对热障涂层残余应力的影响,并从应力应变循环演化的角度对热障涂层系统中微裂纹的萌生位置进行了预测。结果表明,随着氧化层厚度的增大,垂直于界面方向的残余应力迅速增大;材料蠕变对热障涂层系统应力释放作用显著;从残余应力和应变演化的角度进行评价,结构中的微裂纹会率先出现在粘接层凸峰以及陶瓷层/氧化层/黏结层界面的中间位置,仿真分析结果与试验结果一致。     

EB-PVD热障涂层热循环性能评价方法研究

制备8批次EB-PVD双层结构热障涂层试样,采用循环加热快速冷却实验装置模拟热障涂层服役环境,开展了热障涂层试样在不同热循环保温时间条件下的热循环性能评价实验,采用指数下降的数学模型对热循环实验数据进行拟合分析,获得了表征热障涂层试样静态氧化性能和热疲劳性能的物理量.结果表明,在本实验工艺条件下制备的不同批次热障涂层试样的静态氧化性能和热疲劳性能具有不同的匹配关系,热障涂层试样静态氧化性能总体估计值为(677±194)h,热疲劳性能总体估计值为(6789±1818)次.     

功能梯度热障涂层隔热与应力缓和的组合设计

提出了功能梯度热障涂层隔热与应力缓和的组合设计思想，给出了材料基本物性参数物理模型，并在此基础上首先由隔热能力确定不同层数对应的成分分布指数，继而进一步计算出与之匹配的轴向及径向应力分布情况，最后结合涂层材料的制备成本，确定了满足组合设计准则的涂层结构。     

界面形貌对热障涂层界面残余应力影响的数值模拟

利用有限元方法 ,对热障涂层热循环降温过程中产生的残余应力进行了数值模拟 ,研究了有尖点和无尖点正弦波形微坑以及矩形微坑对界面残余应力的影响。结果表明 ,微坑形状不同 ,界面上残余应力的大小、性质与分布也不同 ;微坑的形状变化和尖点的出现 ,将会使该处的应力发生突变 ,不利于增强界面结合强度。因此 ,从对热障涂层界面残余应力的影响角度看 ,无尖点的正弦波形微坑既优于有尖点微坑也优于矩形微坑