為了突破傳統(tǒng)Mo/8YSZ雙層熱障涂層高溫易剝落的技術(shù)瓶頸,利用ANSYS有限元軟件建立等離子噴涂Mo/8YSZ功能梯度熱障涂層的數(shù)值模型,考慮材料熱物性參數(shù)隨溫度的變化情況,研究基體、黏結(jié)層及陶瓷層的厚度參數(shù)對(duì)涂層殘余應(yīng)力的影響。結(jié)果表明:隨著基體厚度的增加,噴涂構(gòu)件的最大徑向殘余拉應(yīng)力和最大徑向殘余壓應(yīng)力均減小;隨著黏結(jié)層、過(guò)渡層和陶瓷層厚度的增加,最大徑向殘余拉應(yīng)力增大,最大徑向殘余壓應(yīng)力減小;殘余壓應(yīng)力為軸向的主要?dú)堄鄳?yīng)力形式,隨著基體厚度的增加,最大軸向殘余壓應(yīng)力減小,隨著黏結(jié)層或過(guò)渡層厚度的增加,最大軸向殘余壓應(yīng)力增大,然而陶瓷層厚度的變化對(duì)最大軸向殘余壓應(yīng)力的影響并不明顯;改變黏結(jié)層厚度對(duì)基體與涂層界面殘余壓應(yīng)力的影響更為明顯;基體的厚度在一定范圍內(nèi)對(duì)基體與涂層界面殘余應(yīng)力有影響,當(dāng)基體厚度增加至12 mm時(shí),隨著基體厚度的增加,徑向殘余應(yīng)力變化不明顯;隨著基體厚度的增加,應(yīng)力突變點(diǎn)及應(yīng)力形式的轉(zhuǎn)變點(diǎn)逐漸過(guò)渡到基體與涂層交界邊緣的上方區(qū)域,隨著黏結(jié)層、過(guò)渡層或陶瓷層厚度的增加,應(yīng)力突變點(diǎn)及應(yīng)力形式的轉(zhuǎn)變點(diǎn)逐漸過(guò)渡到基體與涂層交界中心的下方區(qū)域。通過(guò)設(shè)計(jì)功能梯度熱障涂層,并... 

【文章來(lái)源】：航空材料學(xué)報(bào). 2020,40(06)北大核心

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【部分圖文】：

物理模型

圖2給出了等離子噴涂制備功能梯度熱障涂層的有限元（FE）模型。如圖2所示，由于存在多種涂層組元，故在FE模型中，采用不同顏色的單元加以區(qū)分表示，在ANSYS仿真軟件中，選用PLANE13四邊形四節(jié)點(diǎn)熱-力耦合線性2D單元，建立基體表面等離子噴涂功能梯度熱障涂層有限元模型，在等離子噴涂過(guò)程中和噴涂結(jié)束后的冷卻過(guò)程中，由于不同涂層組元的界面及涂層與基材的界面均存在一定程度的應(yīng)力集中情況，因此為了獲得更真實(shí)的計(jì)算結(jié)果，需將這些區(qū)域的網(wǎng)格做加密處理，網(wǎng)格尺寸為25μm，其他區(qū)域的網(wǎng)格無(wú)須加密，網(wǎng)格尺寸為0.2 mm。借助ANSYS仿真軟件強(qiáng)大的“生死單元”功能，將涂層設(shè)定為“死”單元，基體設(shè)定為“活”單元，依據(jù)“增層模型”模擬涂層單層沉積的過(guò)程，其中單層沉積的涂層厚度為50μm。此外為了提高計(jì)算效率，在確保主要計(jì)算對(duì)象的有效性外，需做出相關(guān)假設(shè)[18-19]:(1）噴槍的有效噴涂區(qū)域覆蓋噴涂構(gòu)件上表面；（2）不同的涂層組元及涂層與基材均結(jié)合緊密；（3）忽略涂層內(nèi)部的微孔隙及氧化帶缺陷。1.3 功能梯度熱障涂層的殘余應(yīng)力構(gòu)成

圖3給出了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)噴涂構(gòu)件的最大殘余應(yīng)力，（+）”表示殘余拉應(yīng)力，“（-）”表示殘余壓應(yīng)力。由圖3可看出三種殘余應(yīng)力的變化規(guī)律：（1）徑向殘余應(yīng)力。隨著基體厚度的增加，噴涂構(gòu)件的最大徑向殘余拉應(yīng)力和最大徑向殘余壓應(yīng)力均減小，說(shuō)明增加基體厚度可降低在徑向殘余拉應(yīng)力作用下涂層內(nèi)部橋狀裂紋的萌生概率和在徑向殘余壓應(yīng)力作用下產(chǎn)生的涂層翹曲缺陷[]19；隨著黏結(jié)層、過(guò)渡層和陶瓷層厚度的增加，噴涂構(gòu)件的最大徑向殘余拉應(yīng)力增大，最大徑向殘余壓應(yīng)力減小，其中殘余拉應(yīng)力的增加是由于熔滴在沉積冷凝的過(guò)程中表面收縮，基體或已沉積的涂層對(duì)熔滴產(chǎn)生了拉應(yīng)力的作用。涂層厚度增加的過(guò)程，也是粉末熔滴不斷沉積、冷凝和收縮的過(guò)程，這就造成了殘余拉應(yīng)力的不斷增加，隨著殘余拉應(yīng)力的增大，會(huì)進(jìn)一步增加涂層內(nèi)部垂直于界面橋狀裂紋缺陷的產(chǎn)生概率；隨著殘余壓應(yīng)力的減小，可減少涂層內(nèi)部分層及翹曲缺陷的產(chǎn)生[]19；當(dāng)改變黏結(jié)層厚度時(shí)，在噴涂構(gòu)件內(nèi)部，徑向殘余拉應(yīng)力為主要徑向殘余應(yīng)力形式，說(shuō)明增加黏結(jié)層厚度會(huì)使得垂直于基體與涂層界面的橋狀裂紋成為導(dǎo)致涂層失效剝離的主要缺陷形式，然而改變過(guò)渡層或陶瓷層厚度時(shí)，在噴涂構(gòu)件內(nèi)部，徑向殘余壓應(yīng)力為主要徑向殘余應(yīng)力形式，說(shuō)明增加過(guò)渡層或陶瓷層厚度會(huì)使得涂層翹曲成為涂層失效的主要缺陷形式。（2）軸向殘余應(yīng)力。隨著基體、黏結(jié)層、過(guò)渡層和陶瓷層厚度的增加，最大軸向殘余拉應(yīng)力增大，但軸向殘余壓應(yīng)力仍為主要的殘余應(yīng)力形式，隨著基體厚度的增加，最大軸向殘余壓應(yīng)力減��；隨著黏結(jié)層和過(guò)渡層厚度的增加，最大軸向殘余壓應(yīng)力增大；隨著陶瓷層厚度的增加，最大軸向殘余壓應(yīng)力變化不明顯，說(shuō)明增加基體厚度會(huì)降低涂層分層失效的概率，而增加黏結(jié)層或過(guò)渡層厚度，會(huì)使得涂層內(nèi)部產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力集中。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，改變陶瓷層厚度對(duì)噴涂構(gòu)件軸向殘余壓應(yīng)力的影響并不明顯。（3）殘余剪切應(yīng)力。改變黏結(jié)層、過(guò)渡層或陶瓷層厚度對(duì)殘余剪切應(yīng)力的影響并不明顯，而增加基體厚度會(huì)在一定區(qū)間范圍內(nèi)降低殘余拉應(yīng)力，當(dāng)基體厚度增加至12 mm時(shí)，隨著基體厚度的增加殘余拉應(yīng)力變化不明顯。圖4給出了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下Path 1徑向殘余應(yīng)力的變化曲線，正值為拉應(yīng)力，負(fù)值為壓應(yīng)力。對(duì)比圖4(a）～圖4(d）發(fā)現(xiàn)，基體與涂層界面的殘余應(yīng)力經(jīng)歷了由殘余壓應(yīng)力到殘余拉應(yīng)力的轉(zhuǎn)變過(guò)程，且不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)應(yīng)殘余應(yīng)力的分布區(qū)間不同：隨著基體厚度的增加，殘余壓應(yīng)力的分布區(qū)間增大，殘余拉應(yīng)力的分布區(qū)間減小，且應(yīng)力形式的轉(zhuǎn)變點(diǎn)逐漸向界面邊緣轉(zhuǎn)移，殘余壓應(yīng)力始終為主要?dú)堄鄳?yīng)力，這種應(yīng)力形式的轉(zhuǎn)變點(diǎn)附近易萌發(fā)微裂紋，在軸向殘余壓應(yīng)力的作用下，裂紋極易擴(kuò)展形成貫穿裂紋，最終造成涂層的剝離失效，說(shuō)明增加基體厚度會(huì)使得界面缺陷的萌生位置向涂層邊緣靠近；隨著黏結(jié)層、過(guò)渡層或陶瓷層厚度的增加，殘余壓應(yīng)力的分布區(qū)間減小，殘余拉應(yīng)力的分布區(qū)間增大，且應(yīng)力形式的轉(zhuǎn)變點(diǎn)逐漸遠(yuǎn)離界面邊緣，說(shuō)明增加涂層厚度會(huì)導(dǎo)致涂層的失效位置向中心區(qū)域轉(zhuǎn)移；改變黏結(jié)層厚度對(duì)基體與涂層界面殘余壓應(yīng)力的影響更為明顯，當(dāng)黏結(jié)層厚度為0.6～0.8mm時(shí)，界面殘余拉應(yīng)力為主要?dú)堄鄳?yīng)力形式，在殘余拉應(yīng)力的作用下，涂層易產(chǎn)生垂直于界面的橋狀裂紋，這種裂紋會(huì)導(dǎo)致涂層開(kāi)裂，但不會(huì)形成貫穿裂紋，相對(duì)于平行于界面的層狀裂紋而言更為安全。觀察圖4(a）發(fā)現(xiàn)，在0～5.5 mm的路徑范圍內(nèi)，隨著基體厚度的增加，在路徑同一位置，噴涂構(gòu)件最大殘余壓應(yīng)力呈現(xiàn)“減小-增大”的變化趨勢(shì)，在距離涂層中心5.5 mm處，基體厚度對(duì)涂層殘余應(yīng)力的影響規(guī)律發(fā)生了轉(zhuǎn)變，在5.5～9 mm的路徑范圍內(nèi)，隨著基體厚度的增加，在路徑同一位置，最大殘余壓應(yīng)力增大，觀察圖4(b）～圖4(d）發(fā)現(xiàn)，隨著黏結(jié)層、過(guò)渡層或陶瓷層厚度的增加，界面的最大殘余壓應(yīng)力減��；在距離涂層邊緣0.5 mm處，存在較大的應(yīng)力突變，且伴隨著基體厚度的增加，應(yīng)力突變值減小，隨著黏結(jié)層厚度的增加，應(yīng)力突變值增大，改變過(guò)渡層或陶瓷層厚度對(duì)界面應(yīng)力突變情況影響不明顯；基體的厚度在一定范圍內(nèi)影響界面殘余應(yīng)力，當(dāng)基體厚度增加至12 mm時(shí)，厚度的增加對(duì)路徑徑向殘余應(yīng)力的變化影響減小。

【參考文獻(xiàn)】：
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