等离子工艺热障涂层的热疲劳分析

热障涂层作为先进的热防护技术,在航空发动机热端部件上有重要的应用,它与先进气膜冷却技术、先进单晶合金材料技术并称为航空发动机涡轮叶片三大关键技术。为了保证发动机安全可靠地工作,研究并测试热障涂层的力学参数和热疲劳特性是其工程应用的前提与基础。本文以等离子喷涂工艺制备的热障涂层为研究对象,利用共振原理和复合梁理论,获得了热障涂层表层一陶瓷层从常温到1150℃高温条件下的杨氏模量。同时,鉴于热障涂层的热疲劳失效模式为剥落,着重对热障涂层的热疲劳特性进行研究。以带热障涂层的圆管试样为模拟件进行了热疲劳试验,试验载荷选择50℃／1050℃的梯形波。利用所测试的材料参数和有限元方法进行了热变形分析,提取了热疲劳寿命控制参量,对模拟试样的热疲劳寿命进行了预测,结果显示,预测结果较为精确。     

应变幅和相角度对热障涂层材料系统热机械疲劳性能的影响

热障涂层作为燃气轮机高温部件的关键材料,其服役过程中的脱落与失效机理一直是研究的热点问题。本文主要研究了应变幅和相角度对含热障涂层的镍基高温合金热机械疲劳性能的影响。研究结果表明,在相同相角度下,热机械疲劳寿命随应变幅的增大而降低。固定应变幅,同相位下样品的热机械疲劳寿命要高于反相位样品。所有样品中,裂纹萌生于热生长氧化物层,在粘结层与陶瓷层界面扩展形成分层裂纹,分层裂纹与陶瓷层内贯穿裂纹连接起来导致大面积的陶瓷层剥落,从而导致TBC层失效。另外,本文分析了热障涂层中的应力分布,初步建立了含热障涂层的镍基高温合金热机械疲劳寿命模型,发现含热障涂层的镍基高温合金热机械疲劳寿命与涂层中的最大应力呈指数关系。     

EB-PVD梯度热障涂层的制备及其热疲劳性能

采用ＥＢ－ＰＶＤ的方法,连续蒸发按一一分比混合的Ａｌ＋Ａ１２Ｏ３＋ＺｒＯ２混合源,在Ｎｉ基高温合金基体上制备了一种新型结构的热障涂层,ＳＥＭ和ＥＤＳ的观察、分析表明,这作层实现了由金属粘结层向陶资顶层的微观结构的梯度过渡和化学成分的连续变化。涂层的基本结构为ＮｉＣｏＣｒＡ１Ｙ／Ｎｉ３Ａｌ＋Ａ１２Ｏ３／Ａ１２Ｏ３ＺｒＯ２／ＺｒＯ２。这北度热障涂层在１０５０℃的抗高温氧化性能优于传统的二层结构的热障涂     

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。     

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。     

热障涂层对单晶高温合金多轴热机疲劳性能的影响

采用电子束物理气相沉积工艺在CMSX-4单晶合金空心试管表面制备了Y₂O₃(7%~8%,质量分数)-ZrO₂热障涂层,然后在500~1000 ℃范围内对带/不带涂层试样进行了机械应变控制的热机械疲劳(TMF)和热梯度机械疲劳试验(TGMF)。结果表明,热障涂层可在一定程度上提高单晶合金试棒的疲劳寿命,同时,在相同的应变幅值下,同相位带热障涂层试样的热梯度机械疲劳寿命略高于反相位带涂层试样。试样的断口分析结果表明,同相位热机疲劳和反相位热机疲劳断口呈现显著差异,反相位疲劳试样断口具有明显的疲劳辉纹,材料蠕变和氧化对断口影响较小;同相位试样断口则明显与材料的蠕变和氧化相关。     

等离子喷涂热障涂层热震失效过程及残余应力分析

采用等离子喷涂技术在高温合金上制备了热障涂层(粘接层为NiCoCrAlY,陶瓷层为ZrO2-8%Y2O3),利用扫描电镜(SEM)、拉曼光谱(RFS)等试验手段研究了热障涂层热震失效的过程及残余应力大小和分布状态。结果表明:150次热循环后,陶瓷层和热生长氧化物(TGO)生成裂纹,其中陶瓷层的裂纹已扩展至TGO;350次热循环后,出现贯通陶瓷层与金属过渡层的纵向裂纹,涂层局部出现剥离,剥离位置位于TGO与陶瓷层界面;拉曼光谱(RFS)分析结果显示TGO内应力水平分布不均,局部厚大区和凸凹处残余应力较大,是裂纹萌生、扩展的主要部位。     

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。     

热障涂层高温氧化生长应力预测

基于Clark氧化生长应变率理论和Wagner氧化模型给出了涂层高温生长应力公式,计算预测了热障涂层中氧化生长应力随时间的演化规律;利用光致发光分析技术对氧化层的应力进行了实验测试,并对两种结果进行了比较和分析。结果表明,本文给出的热障涂层高温氧化生长应力模型预测与实验结果符合     

LaMgAl11O19热障涂层退火过程残余热应力分布及涂层热稳定性的数值模拟

目的 研究退火过程中La Mg Al₁₁O₁₉热障涂层内部残余热应力的分布情况及其对热障涂层热稳定性的影响机理。方法 基于等离子喷涂制备的La Mg Al₁₁O₁₉/YSZ双热障涂层物理模型,采用Abaqus建立数值仿真模型,通过温度位移耦合计算,系统分析不同退火温度下LaMgAl₁₁O₁₉热障涂层内部残余热应力的分布情况。通过扫描电镜,观察退火前后涂层表面及断面的微观组织形貌。根据数值模拟结果及涂层SEM图像,分析残余热应力对LaMgAl₁₁O₁₉热障涂层热稳定性的影响,探究引起涂层裂纹损伤失效的影响因素。结果 数值模拟结果显示,La Mg Al₁₁O₁₉热障涂层内部的残余热应力以径向应力为主,其值远大于轴向应力及剪切应力。退火中,径向残余热应力在径向距离0～2.4mm内缓慢增长到最大值,而在x=2.4mm至径向边缘范围内急剧降低。退火后,在涂层径向边缘位置出现应力集...     

横向梯度温度场下热障涂层的失效分析

采用热障涂层服役环境性能实验模拟器,利用电化学阻抗谱针对横向梯度温度场条件下的热障涂层结构变化开展研究,并结合有限元方法对热力耦合作用下热障涂层的失效机理进行了分析,发现当管状试样处于两端约束受力状态下,加热区边缘为涂层易发生开裂部位。     

Failure Mechanism for Thermal Fatigue of Thermal Barrier Coating Systems

Thick thermal barrier coatings (TBCs), consisting of a CoNiCrAlY bond coat and yttria-partially stabilized zirconia top coat with different porosity values, were produced by air plasma spray (APS). The thermal fatigue resistance limit of the TBCs was tested by furnace cycling tests (FCT) according to the specifications of an original equipment manufacturer (OEM). The morphology, residual stresses, and micromechanical properties (microhardness, indentation fracture toughness) of the TBC systems before and after FCT were analyzed. The thermal fatigue resistance increases with the amount of porosity in the top coat. The compressive in-plane stresses increase in the TBC systems after thermal cycling; nevertheless the increasing rate has a trend contrary to the porosity level of top coat. The data suggest that the spallation happens at the TGO/top coat interface. The failure mechanism of thick TBCs was found to be similar to that of conventional thin TBC systems made by APS.     

热震作用下YSZ活性扩散障的非线性有限元分析

采用有限元法研究,经历多次热震后,Ni Cr Al Y涂层/YSZ扩散障/RenéN5基体内应力分布及演变和波峰值对应力的影响。研究发现,75次热震后模型外边缘附近及氧化铝层中存在较高的剪切应力和拉应力,裂纹会在该处萌生及扩展。各处的应力值随热震次数的增加均有所增大;随波峰峰值的增加,氧化铝层内的应力值变化最大,其中当波峰峰值(A)为3μm时,扩散障结构较优。     

热不匹配应力对热障涂层表面裂纹扩展的影响

本文采用扩展有限元方（XFEM）法研究了高温下热失配应力对热障涂层表面裂纹扩展的影响。结果表明在热失配应力的影响下,表面裂纹的位置、倾斜角度和长度对裂纹扩展的长度、能量释放率和裂尖的应力水平有着显著的影响;对于初始长度相同的裂纹,界面波谷处裂纹扩展长度最长,能量释放率最大;倾斜角度越大,裂纹扩张长度越短,应变能越大;裂纹初始长度越大,裂纹的扩展长度越长且扩展速率越快,能量释放率越大。存在多条表面裂纹的情况下其裂纹扩展相互影响。     

热障陶瓷涂层材料对柴油机活塞的影响

目的研究不同陶瓷材料对活塞温度和热应力的影响。方法以氧化镁-部分稳定氧化锆陶瓷(Mg-PSZ)和氧化钇-部分稳定氧化锆陶瓷(Y-PSZ)两种材料为研究对象,在硅铝合金活塞顶部分别喷涂Mg-PSZ和Y-PSZ等离子体,分析讨论了两种不同涂层材料对活塞温度场和热应力场的影响,对比分析了有无陶瓷涂层活塞温度场和热应力场的变化。结果和无涂层活塞相比,Mg-PSZ涂层活塞和Y-PSZ涂层活塞的表面温度明显升高,其表面最高温度分别升高了50.49%和34.81%,但是对应的基体最高温度却分别下降了28.49%和17.34%。同时还发现,Mg-PSZ涂层活塞和Y-PSZ涂层活塞具有相同的温度和热应力分布,并且其活塞基体和无涂层活塞也具有相同的温度和热应力分布。结论 Mg-PSZ涂层活塞和Y-PSZ涂层活塞都会导致活塞表面温度升高,应力增大,但是Y-PSZ对基体温度影响更大,Mg-PSZ对热应力影响更大。