發(fā)布時(shí)間：2017-05-21 12:25

  本文關(guān)鍵詞：基于三維微觀結(jié)構(gòu)模型的熱障涂層性能預(yù)測(cè)及失效機(jī)理分析，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：熱障涂層作為一種極具潛力的表面防護(hù)材料,在航空航天領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。然而,由于熱障涂層自身結(jié)構(gòu)及實(shí)際服役環(huán)境的復(fù)雜性,使得基于三維真實(shí)結(jié)構(gòu)對(duì)涂層性能進(jìn)行準(zhǔn)確、可靠的預(yù)測(cè)十分困難。為了解決這一技術(shù)難題,本文以典型等離子噴涂工藝制備的熱障涂層為研究對(duì)象,突破傳統(tǒng)二維模型或界面簡化模型的局限,綜合利用Micro-CT三維斷層掃描技術(shù)和有限元網(wǎng)格剖分技術(shù),成功構(gòu)建了基于熱障涂層真實(shí)微觀組織的三維有限元模型,首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)涂層在拉伸和熱循環(huán)載荷作用下裂紋在三維空間內(nèi)萌生、擴(kuò)展直至涂層最終失效過程的實(shí)時(shí)跟蹤,并對(duì)其內(nèi)在失效機(jī)理進(jìn)行了深入的探究。建立了一種基于熱障涂層真實(shí)微觀組織的三維有限元模型生成方法。將Micro-CT三維斷層掃描技術(shù)應(yīng)用到涂層內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)信息的獲取上,并利用Simpleware軟件對(duì)涂層的切片數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,重構(gòu)出反映實(shí)際涂層顯微結(jié)構(gòu)特征的三維圖像模型,在此基礎(chǔ)上采用有限元網(wǎng)格剖分技術(shù),成功地生成了基于熱障涂層微觀組織的三維有限元模型。該模型能夠真實(shí)地反映出實(shí)際涂層內(nèi)部的界面形貌以及孔隙分布特征,其陶瓷孔隙率為9.48%,與涂層截面顯微組織SEM照片的統(tǒng)計(jì)結(jié)果十分接近,該建模方法為實(shí)現(xiàn)從涂層三維組織特征到涂層性能的計(jì)算及預(yù)測(cè)提供了可靠的支撐。基于熱障涂層微觀組織三維有限元模型,充分考慮涂層內(nèi)部真實(shí)界面形貌以及孔隙、裂紋等缺陷的分布特征,對(duì)涂層的拉伸結(jié)合強(qiáng)度以及失效斷裂位置進(jìn)行預(yù)測(cè),并與相關(guān)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了定量的比對(duì)。模擬結(jié)果顯示,涂層的斷裂位置位于陶瓷層與粘結(jié)層的界面處或界面附近的陶瓷層中,拉伸斷面最高點(diǎn)與最低點(diǎn)之間的垂直距離為24.5μm,與三維景深測(cè)量儀對(duì)涂層斷面波峰與波谷間高度差的測(cè)量結(jié)果20~35μm相吻合;通過內(nèi)能塌陷時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的外加載荷最終確定出涂層的拉伸結(jié)合強(qiáng)度為44.4MPa,與44.78MPa的試驗(yàn)結(jié)果十分接近。此外,通過數(shù)值模擬將試驗(yàn)無法觀察到的拉伸載荷作用下裂紋在三維空間內(nèi)的萌生、擴(kuò)展直至最終斷裂的過程實(shí)時(shí)地再現(xiàn)出來,并對(duì)其失效機(jī)理進(jìn)行了深入的分析。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)加載至40s時(shí),陶瓷層局部的應(yīng)力集中誘發(fā)兩種類型的裂紋源,分別位于陶瓷層與粘結(jié)層界面附近以及陶瓷孔隙的邊界;當(dāng)加載至44.4s時(shí),只有界面附近的裂紋源擴(kuò)展并合并成一條主裂紋;隨著加載的進(jìn)行,在裂紋尖端垂直方向拉應(yīng)力的作用下,主裂紋沿界面方向快速擴(kuò)展,最終在陶瓷層與粘結(jié)層界面附近形成起伏狀的涂層拉伸斷面。根據(jù)涂層熱循環(huán)試驗(yàn)建立了TGO的生長動(dòng)力學(xué)曲線,并結(jié)合陶瓷層與粘結(jié)層界面真實(shí)的形貌特征生成了可實(shí)現(xiàn)TGO生長的三維有限元模型,在此基礎(chǔ)上,將導(dǎo)致涂層循環(huán)失效的TGO相變、陶瓷層燒結(jié)以及各層材料蠕變等多種因素引入到涂層熱循環(huán)過程的有限元計(jì)算中,首次實(shí)現(xiàn)了裂紋在涂層三維空間內(nèi)萌生、擴(kuò)展以及合并過程的模擬。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn),涂層開裂前后,陶瓷層界面處會(huì)發(fā)生應(yīng)力的反演:在給定條件下的熱循環(huán)初期,陶瓷層界面波峰為拉應(yīng)力狀態(tài),波谷為壓應(yīng)力狀態(tài);當(dāng)循環(huán)至51次時(shí),裂紋開始在波峰附近萌生并將波峰處的應(yīng)力釋放,新的應(yīng)力集中出現(xiàn)在裂紋的尖端,隨著裂紋的不斷擴(kuò)展,拉應(yīng)力區(qū)由波峰逐漸向波谷轉(zhuǎn)移;第516次循環(huán)以后,陶瓷層界面波峰變?yōu)閴簯?yīng)力狀態(tài),而波谷變成拉應(yīng)力狀態(tài),臨近波峰萌生的微裂紋在波谷附近連接、合并。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),在熱循環(huán)初期,陶瓷層最大主應(yīng)力峰值的增速較快,誘發(fā)大量微裂紋的萌生,裂紋的生長速率最高,約為10~20μm3/min;熱循環(huán)中期,陶瓷層應(yīng)力峰值的增速開始減慢,相應(yīng)地裂紋的生長速率也有所降低,由10.9μm3/min逐漸降至3.07μm3/min;在熱循環(huán)后期,陶瓷層的應(yīng)力峰值略有下降,裂紋的生長速率低于2μm3/min且基本保持不變。
【關(guān)鍵詞】：熱障涂層 三維微觀結(jié)構(gòu) 數(shù)值模擬 裂紋 失效機(jī)理
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TG174.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• abstract7-12
• 第1章 緒論12-21
• 1.1 引言12-13
• 1.2 熱障涂層及其發(fā)展現(xiàn)狀13-16
• 1.2.1 熱障涂層的概念與結(jié)構(gòu)13
• 1.2.2 熱障涂層的制備方法13-14
• 1.2.3 熱障涂層的失效機(jī)制14-16
• 1.2.4 熱障涂層的性能評(píng)價(jià)方法16
• 1.3 有限元方法在熱障涂層研究中的應(yīng)用現(xiàn)狀16-20
• 1.3.1 涂層有限元模型的構(gòu)建17
• 1.3.2 涂層拉伸失效的研究17-18
• 1.3.3 涂層熱循環(huán)失效的研究18-20
• 1.4 本文的選題依據(jù)與研究內(nèi)容20-21
• 第2章 基于熱障涂層微觀組織的三維模型構(gòu)建21-31
• 2.1 引言21
• 2.2 Micro-CT成像原理及系統(tǒng)組成21-25
• 2.2.1 Micro-CT的成像原理21-22
• 2.2.2 Feldkamp重建算法22-24
• 2.2.3 Micro-CT的系統(tǒng)組成24-25
• 2.3 基于熱障涂層微觀組織的三維模型構(gòu)建25-30
• 2.3.1 涂層材料及掃描樣品制備25-27
• 2.3.2 Micro-CT三維斷層掃描27-28
• 2.3.3 三維微觀組織有限元模型的生成28-30
• 2.4 本章小結(jié)30-31
• 第3章 拉伸條件下熱障涂層的性能預(yù)測(cè)及失效機(jī)理分析31-41
• 3.1 引言31
• 3.2 涂層拉伸試驗(yàn)31-34
• 3.2.1 涂層樣品制備31
• 3.2.2 涂層拉伸結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)定31-33
• 3.2.3 涂層拉伸失效位置33-34
• 3.3 涂層拉伸數(shù)值模擬方法34-35
• 3.3.1 載荷施加與邊界條件34-35
• 3.3.2 材料性能參數(shù)與失效判據(jù)35
• 3.4 數(shù)值模擬結(jié)果與討論35-40
• 3.4.1 模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比35-37
• 3.4.2 涂層失效過程及機(jī)理分析37-40
• 3.5 本章小結(jié)40-41
• 第4章 熱循環(huán)條件下熱障涂層的性能預(yù)測(cè)及失效機(jī)理分析41-57
• 4.1 引言41
• 4.2 涂層熱循環(huán)試驗(yàn)41-44
• 4.2.1 涂層樣品制備及試驗(yàn)條件41-42
• 4.2.2 氧化機(jī)制與TGO生長動(dòng)力學(xué)曲線42-44
• 4.3 涂層熱循環(huán)數(shù)值模擬方法44-51
• 4.3.1 基于熱障涂層微觀組織的TGO生長模型44-45
• 4.3.2 材料模型及性能參數(shù)45-49
• 4.3.3 失效判據(jù)49
• 4.3.4 邊界條件49
• 4.3.5 多因素耦合計(jì)算方法49-51
• 4.4 數(shù)值模擬結(jié)果與討論51-56
• 4.4.1 裂紋的萌生51-52
• 4.4.2 裂紋的擴(kuò)展52-54
• 4.4.3 裂紋的連接、合并54-56
• 4.5 本章小結(jié)56-57
• 結(jié)論57-59
• 參考文獻(xiàn)59-68
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文與研究成果清單68-69
• 致謝69

【相似文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 王利強(qiáng) ,閻殿然 ,何繼寧 ,宋向陽;熱障涂層研究狀況及進(jìn)展[J];新技術(shù)新工藝;2002年03期

2 謝冬柏,王福會(huì);熱障涂層研究的歷史與現(xiàn)狀[J];材料導(dǎo)報(bào);2002年03期

3 劉志;周洪;;熱障涂層研究進(jìn)展[J];河海大學(xué)常州分校學(xué)報(bào);2006年03期

4 李美Y，

本文編號(hào)：383667