QT500表面等离子喷涂8YSZ热障涂层TGO的残余应力状态及数值分析

分别采用超音速火焰喷涂(HOVF)和等离子喷涂(APS)在QT500球墨铸铁基体上制备Co Ni Cr Al Y粘结层(BC)和8YSZ陶瓷隔热层(TC),研究了试样在1050℃高温环境中经过2.5、8、15、50、100 h恒温氧化后体系的应力情况。利用扫描电子显微镜(SEM)对热生长氧化物(TGO)的微观形貌进行观察与分析,并用拉曼荧光光谱仪(RFS)分析了其应力的分布及变化规律,并通过力学模型进行了残余应力的数值计算。结果表明:由陶瓷层与粘结层之间的热失配而导致TGO中产生残余压应力,其最大值范围为1.9557~1.9603 GPa;残余压应力在高温氧化初始阶段逐渐减小,至15 h达到最小值,随之逐渐增大后趋于稳定;在恒温阶段,θ-Al2O3转变为α-Al2O3所引起的体积收缩是TGO中残余应力减小并趋于稳定的直接原因。     

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。     

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.     

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。     

真实TGO界面形貌对热障涂层界面应力的影响

采用MSC.MARC有限元分析软件,以真实服役的某重型燃气轮机透平第一级动叶片表面热障涂层为研究对象,研究真实TGO界面形貌对热障涂层界面应力的影响。结果表明:在TC/TGO界面的TC层中,法向应力σ₂₂分布中的拉应力位于波谷区域,压应力位于波峰区域,而在BC/TGO界面的BC层中,σ₂₂应力分布与TC层相反;TC层与BC层的剪切应力σ₁₂分布规律相同,均是波谷左侧的应力方向为负,波谷右侧的应力方向为正。TGO界面的波峰和波谷处的法向应力σ₂₂值随TGO厚度的增大而增加;当TGO厚度不变时,BC/TGO界面振幅增大,TGO内和BC内的法向应力σ₂₂值也随之增大。     

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.     

粘结层表面处理对热障涂层残余应力及热冲击寿命的影响

采用真空电弧离子镀技术在二代单晶高温合金DD32表面制备NiCoCrAlYHf（HY5）金属粘结层,通过振动光饰、吹砂及振动光饰和吹砂3种不同的表面处理方法改变粘结层表面状态,利用电子束物理气相沉积（EB-PVD）技术制备氧化钇部分稳定氧化锆（7~8YSZ）陶瓷层。借助扫描电子显微镜（SEM）、电子探针（EPMA）、光激发荧光压电光谱（PLPS）等分析手段,研究1100 ℃热冲击过程中热障涂层界面结构、成分及残余应力的演变。结果表明:表面处理能够改善粘结层表面形貌,其对TGO层残余应力大小及热冲击寿命存在影响;未处理试样应力水平高于经过表面处理的热障涂层试样,并且随着热冲击次数的增加未处理试样残余应力涨幅更大;经过表面处理后试样热冲击寿命提高,其中经过振动光饰处理的试样提升最为显著;粘结层表面吹砂处理会造成砂粒进入粘结层表层某些部位,TGO层局部过度生长,造成应力集中,从而涂层寿命低于振动光饰处理试样。     

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。     

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。     

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。     

热障涂层界面化合物与残余应力演变研究

用超音速氧燃料热喷涂在铁基合金上制备热障涂层粘结层,用大气等离子热喷涂技术制备陶瓷层。研究了高温氧化后其界面化合物和残余应力的演变。结果表明,随着高温氧化的进行,TGO和BC/基体界面均有氧化物生成,但生长形貌和趋势并不一致。TGO由Al2O3层与尖晶石层组成;BC/基体界面氧化物为单一Al2O3,且存在层状和块状两种形貌。合金的热化学动力学引起元素Co和Ni向基底扩散比较严重,Al元素扩散止于界面氧化物层,基本不向铸铁基底扩散,Fe元素会向粘结层方向扩散。TGO残余应力的演化分为0~15 h和15~100 h 2个阶段,且残余应力与TGO的凹凸生长形貌及其物相组成密切相关;而BC/基体界面单一氧化物的残余应力基本稳定,不受其生长形貌影响。     

热障涂层TGO界面应力分布及裂纹扩展行为的研究进展

热障涂层以其优异的抗氧化? 隔热? 耐腐蚀性而广泛应用于热端部件表面.在超过1000℃高温的服役环境下,外界的氧元素通过陶瓷层扩散到粘接层界面,与其中的金属元素发生氧化反应生成一层热生长高温氧化物(TGO)? 随着服役时间的增加,TGO不断生长,TGO界面产生较大的热应力,导致裂纹的萌生与扩展,使得涂层大面积剥落,因此...     

燃气轮机起动过程热障涂层的应力数值分析

考虑了热障涂层在服役过程中发生的陶瓷层烧结和氧化层增厚作用,对燃气轮机起动过程中涂层热应力进行了数值研究。通过瞬态传热模拟获得起动过程温度场,运用顺序热应力耦合求解起动过程热应力。其中起动初始的陶瓷层烧结和氧化层增厚状态,通过预先模拟高温烧结和氧化层增厚过程来获得,并通过ABAQUS子程序分别实现。结果表明,起动过程中涂层瞬态温度场的变化主要受燃气温度的变化规律所影响。起动过程未见热应力激增现象,陶瓷层烧结和氧化层增厚主要对起动初期,尤其是起动过程的初始残余应力有重要影响,对起动过程中后期的影响可忽略。烧结对陶瓷层和粘结层的热应力均有较大影响,而氧化层增厚对陶瓷层热应力的影响很小,但其对粘结层热应力的影响比烧结更大。     

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。