熱機(jī)械疲勞條件下基于不同模型的熱障涂層TGO皺褶行為模擬研究
發(fā)布時(shí)間：2021-03-23 06:17
熱障涂層（Thermal barrier coatings,TBCs）被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的熱防護(hù),有效的提高了部件的工作溫度和效率,延長(zhǎng)了熱端部件的使用壽命。典型的熱障涂層系統(tǒng)包括陶瓷層（TBC）、熱致生長(zhǎng)氧化物層（TGO）、粘結(jié)層（BC）和高溫合金（SUB）。熱生長(zhǎng)氧化物層會(huì)隨著熱障涂層的服役不斷發(fā)生幾何形貌和化學(xué)成分的演變,對(duì)熱障涂層內(nèi)部應(yīng)力和使用壽命有著十分重大的影響。本文在三維建模軟件SOLIDWORKS中建立了包括TGO、BC和SUB的熱障涂層系統(tǒng)的二維和三維模型,基于商用有限元軟件ABAQUS,開發(fā)了能夠模擬TGO生長(zhǎng)的子程序。在二維模型中研究了材料參數(shù)、計(jì)算方法、機(jī)械載荷、熱機(jī)械相位角對(duì)熱障涂層TGO皺褶的影響;在三維模型中研究了材料參數(shù)、機(jī)械載荷對(duì)TGO皺褶的影響。對(duì)比分析二維、三維有限元計(jì)算模型和多層連續(xù)體解析解模型結(jié)果,探明多層連續(xù)體力學(xué)解析解的適用范圍。論文的主要結(jié)論如下:（1）在廣義平面應(yīng)變條件下計(jì)算得到的二維有限元結(jié)果與三維有限元結(jié)果相近。（2）當(dāng)BC層在1423.5K時(shí)的熱膨脹系數(shù)αBC=2.1×10-5
【文章來源】：東南大學(xué)江蘇省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁(yè)數(shù)】：77 頁(yè)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【部分圖文】：
航空發(fā)動(dòng)機(jī)中使用熱障涂層的熱端部件[10]
所示[8]，典型的熱障涂層包括四個(gè)部分：金屬基體(SUB, SCoat)、熱致生長(zhǎng)氧化物層(TGO, Thermally Grown Oxide)、十世紀(jì)四五十年代，熱障涂層的概念就已經(jīng)被提出用于保護(hù)[11-13]。最早的熱障涂層就是一層簡(jiǎn)單的陶瓷層，這種陶瓷層會(huì)開發(fā)的熔釉材料[11, 14]，這種技術(shù)在五十年代被用在航空發(fā)代熱障涂層體系的開端是在七十年代中期，NASA 路易斯研噴涂制備的 ZrO2-Y2O3多孔陶瓷層和等離子噴涂制備的 N層[15]。緊接著在 70 年代末期，普惠公司開發(fā)了電子束物理]，大幅度的提高了熱障涂層的使用壽命。經(jīng)過幾十年發(fā)展，為了適應(yīng)不同工作環(huán)境要求，熱障涂層的種類也越來越多樣械循環(huán)條件下工作的燃?xì)廨啓C(jī)（航空發(fā)動(dòng)機(jī)），經(jīng)常使用結(jié)層和電子束物理氣相沉積制備陶瓷層組成的 TBCs；而對(duì)的熱機(jī)械循環(huán)條件下工作的燃?xì)廨啓C(jī)（發(fā)電機(jī)設(shè)備），經(jīng)常使子噴涂制備的陶瓷層構(gòu)成的 TBCs。下文將從制備方法、各成詳細(xì)介紹 TBCs。
阻止氧元素向內(nèi)部擴(kuò)散造成金屬基體的氧化；其和陶瓷層之間，粘結(jié)層的存在可以提高陶瓷層和系數(shù)不同產(chǎn)生的熱應(yīng)力。目前存在 MCrAlY 和 結(jié)層，Al 元素都是一種必要的元素，因?yàn)?Al 的石相的形成[21, 22]。如圖 1-3 所示[23]，從熱力學(xué)的 Al2O3的形成，抑制尖晶石相的 NiAl2O4和 NiONi 或者 Ni 和 Co，這種粘結(jié)層主要由低壓等離子和金屬基體有著明顯的界線，其中 Y 元素的存結(jié)合強(qiáng)度[23]。Pt(Ni)Al 粘結(jié)層是通過在 Ni 基合化學(xué)氣相沉積法沉積一層金屬鋁，在擴(kuò)散的作用和金屬基體有較好的化學(xué)相容性、較高的蠕變強(qiáng)提高了抗氧化性能以及粘結(jié)層和氧化物層的結(jié)合l 元素會(huì)向陶瓷層和金屬基體層擴(kuò)散，與此同時(shí)金粘結(jié)層擴(kuò)散[28-30]。所以，隨著暴露在高溫下的時(shí)會(huì)發(fā)生一些變化。
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]熱障涂層技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用與發(fā)展[J]. 牟仁德,陸峰,何利民,賀世美,黃光宏. 熱噴涂技術(shù). 2009(01)
[2]大氣等離子噴涂的YSZ納米熱障涂層的微觀結(jié)構(gòu)[J]. 張玉娟,孫曉峰,金濤,趙乃仁,管恒榮,胡壯麒. 金屬學(xué)報(bào). 2003(04)
[3]電子束物理氣相沉積熱障涂層的研究[J]. 徐惠彬,宮聲凱,陶冶,劉福順,周春根. 航空制造工程. 1995(11)
本文編號(hào)：3095308
【文章來源】：東南大學(xué)江蘇省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁(yè)數(shù)】：77 頁(yè)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【部分圖文】：
航空發(fā)動(dòng)機(jī)中使用熱障涂層的熱端部件[10]
所示[8]，典型的熱障涂層包括四個(gè)部分：金屬基體(SUB, SCoat)、熱致生長(zhǎng)氧化物層(TGO, Thermally Grown Oxide)、十世紀(jì)四五十年代，熱障涂層的概念就已經(jīng)被提出用于保護(hù)[11-13]。最早的熱障涂層就是一層簡(jiǎn)單的陶瓷層，這種陶瓷層會(huì)開發(fā)的熔釉材料[11, 14]，這種技術(shù)在五十年代被用在航空發(fā)代熱障涂層體系的開端是在七十年代中期，NASA 路易斯研噴涂制備的 ZrO2-Y2O3多孔陶瓷層和等離子噴涂制備的 N層[15]。緊接著在 70 年代末期，普惠公司開發(fā)了電子束物理]，大幅度的提高了熱障涂層的使用壽命。經(jīng)過幾十年發(fā)展，為了適應(yīng)不同工作環(huán)境要求，熱障涂層的種類也越來越多樣械循環(huán)條件下工作的燃?xì)廨啓C(jī)（航空發(fā)動(dòng)機(jī)），經(jīng)常使用結(jié)層和電子束物理氣相沉積制備陶瓷層組成的 TBCs；而對(duì)的熱機(jī)械循環(huán)條件下工作的燃?xì)廨啓C(jī)（發(fā)電機(jī)設(shè)備），經(jīng)常使子噴涂制備的陶瓷層構(gòu)成的 TBCs。下文將從制備方法、各成詳細(xì)介紹 TBCs。
阻止氧元素向內(nèi)部擴(kuò)散造成金屬基體的氧化；其和陶瓷層之間，粘結(jié)層的存在可以提高陶瓷層和系數(shù)不同產(chǎn)生的熱應(yīng)力。目前存在 MCrAlY 和 結(jié)層，Al 元素都是一種必要的元素，因?yàn)?Al 的石相的形成[21, 22]。如圖 1-3 所示[23]，從熱力學(xué)的 Al2O3的形成，抑制尖晶石相的 NiAl2O4和 NiONi 或者 Ni 和 Co，這種粘結(jié)層主要由低壓等離子和金屬基體有著明顯的界線，其中 Y 元素的存結(jié)合強(qiáng)度[23]。Pt(Ni)Al 粘結(jié)層是通過在 Ni 基合化學(xué)氣相沉積法沉積一層金屬鋁，在擴(kuò)散的作用和金屬基體有較好的化學(xué)相容性、較高的蠕變強(qiáng)提高了抗氧化性能以及粘結(jié)層和氧化物層的結(jié)合l 元素會(huì)向陶瓷層和金屬基體層擴(kuò)散，與此同時(shí)金粘結(jié)層擴(kuò)散[28-30]。所以，隨著暴露在高溫下的時(shí)會(huì)發(fā)生一些變化。
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]熱障涂層技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用與發(fā)展[J]. 牟仁德,陸峰,何利民,賀世美,黃光宏. 熱噴涂技術(shù). 2009(01)
[2]大氣等離子噴涂的YSZ納米熱障涂層的微觀結(jié)構(gòu)[J]. 張玉娟,孫曉峰,金濤,趙乃仁,管恒榮,胡壯麒. 金屬學(xué)報(bào). 2003(04)
[3]電子束物理氣相沉積熱障涂層的研究[J]. 徐惠彬,宮聲凱,陶冶,劉福順,周春根. 航空制造工程. 1995(11)
本文編號(hào)：3095308
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