發(fā)布時(shí)間：2021-08-27 11:43

　　釔穩(wěn)定氧化鋯（YSZ）作為熱障涂層材料被廣泛地應(yīng)用在渦輪葉片制造中,由于YSZ材料在加工過程中易產(chǎn)生材料損傷,因此對氣膜孔的激光加工提出了挑戰(zhàn)。皮秒激光由于其加工熱效應(yīng)小、對材料無選擇性等特點(diǎn),成為了近年來氣膜孔加工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。為了探究皮秒激光加工YSZ材料的損傷機(jī)制與綜合質(zhì)量評價(jià),本文開展了以下幾方面的研究工作。首先,以YSZ材料的相變特性為切入點(diǎn),通過材料力學(xué)性能的變化以及裂紋產(chǎn)生情況,研究皮秒激光加工YSZ材料的損傷行為,分析不同打孔環(huán)境對YSZ材料損傷的影響規(guī)律,從而獲得最佳皮秒激光打孔的加工環(huán)境;然后,建立YSZ材料皮秒激光打孔仿真模型,通過計(jì)算溫度場結(jié)果,獲得相變分布規(guī)律,獲得相變應(yīng)力-裂紋的評價(jià)關(guān)系,揭示皮秒激光加工YSZ材料的損傷機(jī)制;最后,以控制微孔損傷為前提,對打孔幾何質(zhì)量進(jìn)行綜合優(yōu)化,從而獲得兼顧損傷控制和幾何精度的激光加工工藝方法。通過本文對于皮秒激光加工工藝的研究,選擇水下打孔環(huán)境,在厚度為0.5mm的3mol%YSZ片上加工出直徑為400μm的微孔,孔錐度為0.55°,入口、出口圓度誤差≤6%,孔周圍未觀測到裂紋產(chǎn)生。同時(shí),將此研究成果應(yīng)用于熱障涂層材料... 

【文章來源】：上海交通大學(xué)上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：74 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

熱障涂層的組成結(jié)構(gòu)

慵?娜日賢坎闃票鈣氈椴捎么朔椒╗5]。1.2.2釔穩(wěn)定氧化鋯材料熱障涂層的主要成分氧化鋯陶瓷屬于一種新型陶瓷材料，其具有十分優(yōu)異的物理、化學(xué)性能，不僅在科研領(lǐng)域已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)，而且在工業(yè)生產(chǎn)中也得到了廣泛的應(yīng)用，是耐火材料、高溫結(jié)構(gòu)材料的重要原料。在各種金屬氧化物陶瓷材料中，氧化鋯的高溫?zé)岱�(wěn)定性、隔熱性能最好，最適宜做陶瓷涂層和高溫耐火制品；同時(shí)其良好的機(jī)械性能和熱物理性能，使它能夠成為金屬基復(fù)合材料中性能優(yōu)異的增強(qiáng)相。目前在各種金屬氧化物陶瓷中，氧化鋯的重要作用僅次于氧化鋁[6]。圖1-2氧化鋯的三種相及轉(zhuǎn)變溫度Fig.1-2Thethreephasesofzirconiawiththeirtransformationtemperatures如圖1-2所示，自然狀態(tài)下的固體氧化鋯(ZrO2)隨溫度變化，共具有3種相：單斜相、四方相和立方相，常溫的氧化鋯以單斜相存在。然而單斜相導(dǎo)熱系數(shù)低和韌性差，限制了它的應(yīng)用范圍；并且當(dāng)發(fā)生單斜向四方轉(zhuǎn)變時(shí)，材料會伴隨著明顯形變和體積收縮(約4％～8％)[7]。相比之下，四方相和立方相的機(jī)械性能和熱物理性能會有著顯著的提升。為了能夠獲得常溫狀態(tài)下的四方相或立方相氧化鋯，通過在純氧化鋯中摻入一定量氧化鈣(CaO)、氧化鎂(MgO)或氧化釔(Y2O3)等作為穩(wěn)定劑，使之形成不可逆轉(zhuǎn)變的室溫四方相或立方相。通過這樣方法制備的氧化鋯材料也被稱為亞穩(wěn)態(tài)氧化鋯，并根據(jù)摻入的穩(wěn)定劑而命名，廣泛應(yīng)用于熱障涂層中的釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)，就是摻入氧化釔作為穩(wěn)定劑[8]。在熱障涂層的實(shí)際服役過程中，由于受到長時(shí)間高溫、高壓、高速、強(qiáng)腐蝕條件的作用，最先發(fā)生失效的往往是陶瓷層，失效形式集中表現(xiàn)為陶瓷層的剝落、碎裂，這與陶瓷層的制備工藝以及氣膜孔的加工質(zhì)量密切相關(guān)。由于YSZ自身2

上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文的脆硬特性，極易在制備和氣膜孔加工中產(chǎn)生微裂紋缺陷，這些裂紋會在服役過程中迅速擴(kuò)展、聯(lián)結(jié)，最終造成涂層破壞、部件失效，直接影響了服役壽命[9]；同時(shí)在氣膜孔加工過程中，YSZ會在高溫、沖擊等作用下，使得原本的四方相穩(wěn)定性被破壞，重新轉(zhuǎn)變生成單斜相，對材料的性能產(chǎn)生顯著影響，從而造成材料損傷[10,11]。因此，如何控制YSZ材料在氣膜孔加工過程中的材料損傷，成為提升帶熱障涂層渦輪葉片性能的重要問題。1.3脆硬材料激光打孔如圖1-3所示為帶有熱障涂層的渦輪靜、動葉片，可以看到，葉片表面均分布有大量的氣膜冷卻孔，其主要分布于葉片前緣、葉身型面，孔徑一般在0.2mm-1mm，同時(shí)空間角度復(fù)雜，單片葉片孔數(shù)量即可達(dá)成百上千。圖1-3帶熱障涂層的渦輪葉片F(xiàn)ig.1-3TurbinebladeswithTBC目前主要的微孔加工工藝有傳統(tǒng)的鉆削加工、電火花加工、電解加工、激光加工以及它們之間的復(fù)合加工方法等。其中電火花加工和電解加工只能針對導(dǎo)電材料，對于陶瓷這樣的絕緣材料無法加工；而對于鉆削加工，由于刀具與零件之間會產(chǎn)生巨大的鉆削力以及熱效應(yīng)，極易使涂層脫落、碎裂，同時(shí)鉆削微孔對于鉆頭的質(zhì)量要求極高，加工非常困難。一般來說，一臺航空發(fā)動機(jī)上需加工105個(gè)氣膜冷卻孔，這也對加工效率和實(shí)現(xiàn)自動化提出了較高的要求[12]。目前，激光制孔是加工冷卻氣膜孔道實(shí)現(xiàn)氣膜冷卻的主要方法之一，并且激光制孔技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)陶瓷層的加工[13]。1.3.1超快激光加工隨著激光技術(shù)以及設(shè)備的發(fā)展，激光脈沖持續(xù)時(shí)間不斷向著超短化發(fā)展，短脈沖及超短脈沖激光技術(shù)日漸成熟，目前已經(jīng)從納秒(10-9s)量級提升至皮秒(10-12s)量級乃至飛秒(10-l5s)量級。超短脈沖激光具有以下兩個(gè)特點(diǎn)：脈沖持續(xù)時(shí)間極短，峰值功率極高。由

【參考文獻(xiàn)】：
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