熱障涂層的力學特性及熱疲勞特性研究

熱障涂層的力學特性及熱疲勞特性研究

1復合材料的力學性能鑒于航空發(fā)動機的高要求，為了保證涂層的安全有效使用，應不斷改進涂層材料的工藝，提高涂層材料的性能。然而，這只是工程應用的第一步。為了確保服務的可靠性，有必要在現(xiàn)有技術條件下研究涂層的強度和長度。分析涂層強度與壽命的前提條件是對涂層在給定載荷條件下的應力-應變精確的分析,之后提取適當的強度與壽命控制參數。分析應力-應變需要材料數據,而我國在熱障涂層的材料數據方面的積累相對較少。楊氏模量是材料的關鍵力學性能參數,對于多層材料結構的楊氏模量的測試方法很多,如納米壓痕法、彎曲梁法以及拉伸法。而對于熱障涂層薄且脆的陶瓷層來講,在高溫條件下進行測試,這些方法都有弊病和局限性。本研究通過利用懸絲共振的方法測試了高溫下我國現(xiàn)有工藝條件制備的等離子熱障涂層的楊氏模量。涂層剝落的主要原因是內部裂紋擴展與融合,近幾年國內外的相關研究著重于從斷裂及損傷的角度分析涂層的失效機理,并取得了有意義的結論。另外還從微觀失效機理開展研究,其研究對象針對氧化層TGO,此方向是近期國際研究的熱點之一。本研究通過對管狀試樣熱循環(huán)試驗數據的分析,運用商業(yè)Marc有限元方法模擬了實際高溫循環(huán)下的氧化層形貌,對熱障涂層系統(tǒng)進行了溫度場分析及應力-應變分析,進而精確地預測了熱障涂層的壽命,對熱障涂層的高溫性能與熱疲勞特性進行了研究,具有重要的理論與工程應用價值。2試驗與研究2.1不同溫度條件下的共振頻率試樣的基體為1Cr18Ni9Ti不銹鋼,試驗溫度范圍為室溫~1150℃。運用共振測試原理與材料力學復合梁理論,僅僅需要獲得不同溫度條件下的共振頻率即可獲得表層-陶瓷層的楊氏模量。采用懸絲耦合共振法測量熱障涂層的楊氏模量,首先制備矩形截面的剛性桿作為載體桿,其幾何尺寸在120mm×10mm×1mm。使用METCO公司的7M型空氣等離子噴涂系統(tǒng)噴涂試件。用工業(yè)丙酮對試件進行表面清理,去除油漬,并經SiC噴砂處理后,對試件表面進行空氣等離子噴涂。試驗結果見表1。2.2復合材料熱疲勞載荷為模擬導向器葉片的薄壁結構,并考慮曲率半徑的影響,熱疲勞實驗采用圓管試樣?；w材料為定向結晶高溫合金DZ40M。試樣表面采用等離子熱障涂層,其中粘結層厚度為0.115mm,成分為Ni22Cr10Al1.0Y;陶瓷層厚度為0.251mm,成分為8%Y2O3·ZO2。根據研究的需要,考慮到熱疲勞損傷和氧化損傷的同時作用,采用梯形波進行加載,這種加載形式的結果也是為了以后用來驗證壽命模型的可靠性。梯形波的加熱段設定為2.5min,考慮到某發(fā)動機一個典型的工作循環(huán),保溫段設定為0.5min,冷卻段設定為4.5min。圓管試樣熱疲勞載荷曲線如圖1所示。共對三個試樣進行了熱疲勞試驗,其壽命分別為430次、350次和330次循環(huán)。3對死者的分析3.1熱能涂層的應力狀態(tài)分析以試驗用圓管試樣為例,建立軸對稱模型,為更精確地模擬熱障涂層的實際表面形態(tài),運用正弦曲線模擬粘結層與陶瓷層之間的表面形態(tài),有限元模型的局部放大如圖2所示,有限元模型共有2142個節(jié)點,2020個四節(jié)點軸對稱單元。有限元計算的陶瓷層材料數據利用本文測得的楊氏模量,鑒于我國目前的材料性能數據比較少,模型中所需的其它力學及有關熱性能參數(包括泊松比、屈服應力、熱傳導率、熱膨脹系數等),主要參考國外文獻的研究成果進行模擬試樣的彈塑性分析。與實際試樣相比,模型的寬度較小,在此情況下兩側邊界對整個應力場影響很大,為避免邊界效應,需要將模型一側的節(jié)點沿著X方向(軸向)位移固定,另外一側通過采用Marc的多點自由約束技術,保證邊界節(jié)點軸向位移協(xié)調變形。在熱障涂層的熱疲勞研究中,人們最關心的是冷卻階段,因為熱不匹配的影響主要體現(xiàn)在此階段產生的殘余應力。經過有限元計算,在波峰、中點以及波谷處的軸向應力與徑向應力的分布有明顯不同。薄膜剝落失效的應力狀態(tài):殘余軸向應力為壓應力,徑向應力為拉應力。而對于熱障涂層系統(tǒng)的分層,也同樣應該是拉應力作用在垂直于粘結層/陶瓷層界面和粘結層或者氧化層,壓應力作用在涂層的軸向方向。在波峰處的這種應力狀態(tài)是氧化層失穩(wěn)——屈曲和分層的典型應力狀態(tài),可以斷定在粘結層的波峰處是熱障涂層的危險部位(圖3)。圖中的σr和σz分別是模擬試樣沿壁厚的徑向應力和軸向應力。3.2涂層壽命預測模型根據國外的熱障涂層的研究成果,本研究采用如下的疲勞壽命模型:N=[(Δεf0/Δε)(1?δ/δc)c+(δ/δc)c]b(1)Ν=[(Δεf0/Δε)(1-δ/δc)c+(δ/δc)c]b(1)模型中的b=7.64,Δεf0=0.016,c=1.0,經過計算,氧化厚度δc=23.28μm。有學者認為熱障涂層的危險點處于TBCs系統(tǒng)的粘結層/陶瓷層界面之間,如果假設粘結層的表面形貌為正弦曲線,則也就是認為危險點在粘結正弦曲線的波峰位置處,這與本研究的結果是一致的。另外,有些學者認為軸向應變范圍是重要的疲勞控制參量,即高溫熱疲勞模型中應變范圍參數。本研究根據對涂層失效的破壞分析,認為軸向應變是一個主要因素。而徑向應變的作用,從受力狀態(tài)分析可以看出,徑向應變的存在有促使分層和屈曲發(fā)生的趨勢。綜上所述,熱障涂層的壽命模型式的參數均已確定,因此可以計算得到熱障涂層的壽命。式(1)適用工況為單一循環(huán)載荷,對于多載荷條件下的壽命預測可以引入累積損傷的概念。根據Miner線性累積損傷模型,假設在某種載荷作用下一次循環(huán)造成的損傷為Dm=1/Nm,則多載荷工況下的損傷總計為:D=∑m=1,knm?Dm=∑m=1,knm/Nm(2)D=∑m=1,knm?Dm=∑m=1,knm/Νm(2)式中,Nm代表某個載荷工況下的循環(huán)壽命,nm為該工況下的循環(huán)次數,當累積損傷系數D≥1時,表示涂層失效。根據以上的理論分析可以計算出壽命。試驗與預測壽命分別見表2。本文所研究的針對氧化層的應力-應變分析方案及對熱疲勞壽命模型的修正是比較合理的。由于驗證的數據較少,因此預測模型的可靠性還有待進一步檢驗。4熱疲勞性能試驗研究,提出了在相應的溫度載荷條件下的熱疲勞試驗研究以確定熱疲勞1)室溫~1150℃熱障涂層表層-陶瓷層的楊氏模量為62.5~18.6GPa;2)根據帶熱障涂層渦輪葉片的幾何和載荷特點,設計了帶涂層圓管模擬試樣,開展了帶涂層圓管模擬試樣的熱疲勞試驗研究,獲得了相應