熱障涂層(Thermal barrier coatings,簡稱TBCs)因其耐熱,抗氧化,耐蝕,耐磨性能好而被廣泛用于航空發(fā)動機(jī)的熱端部件。然而發(fā)動機(jī)在服役過程中會不可避免的受到來自外部或燃燒室內(nèi)部硬質(zhì)顆粒的沖蝕作用,這一作用將會導(dǎo)致涂層提前剝落,影響葉片及發(fā)動機(jī)的整體性能。沖蝕作用對以物理氣相沉積(Electron Beam Physical Vapor Deposition,簡稱 EB-PVD)法制備的涂層影響更大,因此本文主要對EB-PVD熱障涂層的沖蝕問題進(jìn)行研究。由于影響涂層沖蝕失效的因素有很多,在實驗上很難進(jìn)行研究。為了簡化問題,本文利用有限元方法建立了單顆粒沖蝕作用下的EB-PVD熱障涂層沖蝕模型,模擬分析了不同影響參數(shù)對涂層沖蝕失效的影響,最終建立熱障涂層沖蝕破壞機(jī)制圖并給出熱障涂層優(yōu)化的建議。本文主要研究內(nèi)容如下:第一,根據(jù)EB-PVD熱障涂層的結(jié)構(gòu)特征建立ABAQUS有限元模型。根據(jù)其真實的結(jié)構(gòu)特征,選用GTN模型來表示柱狀晶,低密度泡沫模型來表示晶間間隙。對高溫沖蝕下EB-PVD熱障涂層產(chǎn)生的典型特征——拐彎帶進(jìn)行分析,結(jié)果表明:高溫沖蝕下產(chǎn)生的拐彎帶,其角度與沖蝕粒子能量之間可以近似擬合為線性關(guān)系;其長度與沖蝕能量之間也可以近似擬合為線性關(guān)系。第二,根據(jù)實驗數(shù)據(jù)擬合的經(jīng)驗準(zhǔn)則建立沖蝕失效機(jī)制圖,從沖蝕粒子參數(shù)(沖蝕速度,角度等)和涂層柱狀晶參數(shù)(如柱狀晶寬度,柱狀晶材料參數(shù)等)兩大方面分析涂層的沖蝕結(jié)果,并分別建立不同參數(shù)影響下的涂層失效機(jī)制圖。結(jié)果表明:沖蝕粒子的速度越大,半徑越大,入射角度越大,涂層越容易產(chǎn)生裂紋。角度對涂層開裂的影響是最小的。熱障涂層自身的相關(guān)參數(shù)對于涂層的沖蝕失效也有影響,涂層柱狀晶的寬度越小,晶間間隙的寬度越小,越容易產(chǎn)生裂紋。具有較小的楊氏模量和屈服強(qiáng)度的涂層更容易開裂。通過分析涂層的應(yīng)力場總結(jié)出不同情況下的涂層開裂形式,分析對比這些材料參數(shù)對涂層抗沖蝕性能的影響。這些都將為熱障涂層的工藝優(yōu)化提供相應(yīng)的依據(jù)。第三,根據(jù)可靠性方法,對影響涂層沖蝕失效的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行驗證,并用敏感性分析方法評估了各個參數(shù)對熱障涂層沖蝕失效的影響。結(jié)果表明:沖蝕粒子對涂層的沖蝕失效的影響比涂層內(nèi)部其他參數(shù)影響要大,這與之前在沖蝕失效機(jī)制圖中得到的結(jié)論一致。
【學(xué)位單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：V231
【部分圖文】：

?這是一個很大程度的進(jìn)步。燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片在不同發(fā)展過程中的臨界使用溫度??如圖１．１所示［１１］。圖中顯示，第四代熱障涂層所能承受的極限溫度較前三代已大??大提尚。??極限溫度??，?熱障涂層表面??＾?（１６５０°Ｃ）??（Ｔ?１??ＡＴ??ｉ?陶瓷基復(fù)合材料??ｍｉｌ?￣?（１３１６?Ｃ）??單晶超合金（１０９３°Ｃ）??一四代??第一代?年代??圖ｕ燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片極限溫度的發(fā)展示意圖［１１］??１．２熱障涂層簡介??１．２．１熱障涂層基本概念??如圖１．２所示，熱障涂層系統(tǒng)是一種多層結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，通常由基底（Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）、??粘結(jié)層（Ｂｏｎｄ?Ｃｏａｔ，簡稱?ＢＣ）、氧化層（Ｔｈｅｒｍａｌｌｙ?Ｇｒｏｗｎ?Ｏｘｉｄｅ，簡稱?ＴＧＯ）以及??頂部陶瓷層（Ｃｅｒａｍｉｃ?Ｔｏｐ?Ｃｏａｔ，簡稱ＴＣ）組成［１２］。??基底合金一般采用耐高溫的鎳基單晶合金，因為鎳基合金具有很好的耐高溫、??抗氧化的特性［１３］和較高的機(jī)械強(qiáng)度。??金屬粘結(jié)層的主要作用是緩解陶瓷層和基底之間在溫度變化過程中由于熱??膨脹系數(shù)的差異而產(chǎn)生的不同應(yīng)力，并防止基體合金的氧化。粘結(jié)層位于陶瓷層??與基底之間，緩解陶瓷層與基底之間物理屬性的不同，通常采用ＭＣｒＡｌＹ合金（Ｍ??指過渡族金屬Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ或ＮｉＣｏ）［１４］和Ｐｔ改性的Ａ１化合物兩種

它們自身由于能量變化會產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形，進(jìn)而形成扁平狀的沉積層。??每一粒融滴都有相同的過程，涂層最終是由一層層的扁平粒子堆積而成的。等離??子噴涂的微觀形貌如圖１．３所示。ＡＰＳ法操作簡單，對材料的要求不高，成本低，??成功率高。但是等離子涂層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為松散，含有較高的孔隙率和尚未完全融??化的顆粒，并有雜質(zhì)生成，如氧化物等。噴涂過程中，粘結(jié)層在空氣中未采取任??何保護(hù)措施，屬于暴露狀態(tài)，噴涂粒子會不可避免的與等離子電弧中帶入的氧化??性氣體發(fā)生反應(yīng)，生成氧化物。涂層的抗氧化性能會因此而受到影響，導(dǎo)致涂層??與金屬基體的結(jié)合力變?nèi)�，在冷熱循環(huán)的作用下，熱氧化物會發(fā)生生長，涂層會??變得容易剝落［２７］。??等離子氣體＋電流水冷陽極??」陰極」?涂嚴(yán)ｊ??絕緣體?粉未１：?Ｌ件」■??圖１．３?ＡＰＳ制備方法原理圖［２８］及ＡＰＳ涂層微觀圖??，，＾ＳｓＷＳＭ??蒸汽云??：?．－」??固體材料??圖１．４物理氣相沉積的工作原理圖［２９ｌＳＥＢ－ＰＶＤ涂層微觀圖??電子束輔助物理氣相沉積法是近年來發(fā)展最快的表面技術(shù)之一。它是利用電??子束聚焦，使得聚焦的局部獲得高溫，材料置于其中會蒸發(fā)、氣化，再以分子、??原子的形式沉積。其工作原理圖如圖１．４（ａ）［２９］。在使用過程中

它們自身由于能量變化會產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形，進(jìn)而形成扁平狀的沉積層。??每一粒融滴都有相同的過程，涂層最終是由一層層的扁平粒子堆積而成的。等離??子噴涂的微觀形貌如圖１．３所示。ＡＰＳ法操作簡單，對材料的要求不高，成本低，??成功率高。但是等離子涂層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為松散，含有較高的孔隙率和尚未完全融??化的顆粒，并有雜質(zhì)生成，如氧化物等。噴涂過程中，粘結(jié)層在空氣中未采取任??何保護(hù)措施，屬于暴露狀態(tài)，噴涂粒子會不可避免的與等離子電弧中帶入的氧化??性氣體發(fā)生反應(yīng)，生成氧化物。涂層的抗氧化性能會因此而受到影響，導(dǎo)致涂層??與金屬基體的結(jié)合力變?nèi)�，在冷熱循環(huán)的作用下，熱氧化物會發(fā)生生長，涂層會??變得容易剝落［２７］。??等離子氣體＋電流水冷陽極??」陰極」?涂嚴(yán)ｊ??絕緣體?粉未１：?Ｌ件」■??圖１．３?ＡＰＳ制備方法原理圖［２８］及ＡＰＳ涂層微觀圖??，，＾ＳｓＷＳＭ??蒸汽云??：?．－」??固體材料??圖１．４物理氣相沉積的工作原理圖［２９ｌＳＥＢ－ＰＶＤ涂層微觀圖??電子束輔助物理氣相沉積法是近年來發(fā)展最快的表面技術(shù)之一。它是利用電??子束聚焦，使得聚焦的局部獲得高溫，材料置于其中會蒸發(fā)、氣化，再以分子、??原子的形式沉積。其工作原理圖如圖１．４（ａ）［２９］。在使用過程中
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本文編號：2875579