1、摘 要热障涂层（TBCs）是目前最先进的高温防护涂层之一, 具有良好的高温化学稳定性、抗冲刷和隔热性等特点, 可以使高温燃气和工作基体金属部件之间产生较大温度降, 从而减弱向基底的传热.用于涡轮发动机叶片上的热障涂层可以提高叶片的工作温度, 从而提高发动机的推重比和效率, 同时也可以减轻冷却系统的负担, 实现简化发动机结构和减轻发动机重量的目的.热障涂层系统是一种多层结构, 一般包括基体、粘结层BC、陶瓷层和涂层制备和使用过程中在粘结层和陶瓷层界面上形成的氧化层TGO基体的材料一般是镍基或钴基高温合金, 粘结层材料是MCrAlY(M表示Ni或/和Co), 陶瓷层材料一般是6% 8%(质量分数)
2、Y2 O3部分稳定的ZrO2 (YSZ), TGO层的主要成分是Al2O3 .经过国内外工作者几十年的研究表明, 涂层的失效一般发生在TGO内或是靠近TGO的YSZ和粘结层内.在热障涂层的有限元分析研究中, 国内外的不同学者在模型的建立中采用了不同的涂层结构尺寸和不同的无应力状态温度,由于TGO的存在和生长对涂层的失效具有重要的作用, 所以在有限元分析中, 涂层结构的不同主要集中在TGO的形状或者说是隔热陶瓷层与粘结层的界面上,有限元分析中普遍使用的TGO形状是正弦(余弦)曲线形式,这种简化主要是从实际的界面形状中演化出来,既体现了界面之间的不平整,又考虑了计算与分析的简化.通过有限元分析计算
3、,可以获得涂层内部的应力分布状况，从而指导研究者对涂层的破坏失效做出合理的分析研究.鉴于上述原因, 本文采用正交设计分析方法,选取TGO和无应力状态温度作为研究对象, 对用于涡轮发动机叶片上的热障涂层系统的TGO厚度、波长、幅值和无应力状态温度在室温状态(25)和高温工作状态下陶瓷层内热应力的影响进行了综合分析.利用有限元分析方法, 采用 Walker 粘塑性材料本构模型计算了喷涂于圆管型试件上的热障涂层在室温和高温环境下的热应力.使用试验中常用的正交设计分析方法, 分析了热障涂层不同的结构和喷涂工艺中的 4 种因素在取不同的水平条件时对热障涂层热应力的影响.分析结果表明:对于所考察的危险点,
4、4 种因素对热障涂层中热应力的产生都有显著影响, 其中以氧化层的厚度对其影响最为严重;4种因素随其各自水平的变化对涂层内部应力变化的影响规律不同.关键词：热障涂层；热应力；有限元分析方法AbstractThermal barrier coatings (TBCs) is currently one of the most advanced high temperature protective coating has good characteristics such as high chemical stability, insulating resistance to erosion an
5、d stays, can make the job high temperature gas and matrix metal parts between the large temperature drop, and decreases to the base of heat transfer. For turbine engine blade on the thermal barrier coating can improve the working temperature of blade, so as to improve the sages ratio and efficiency
6、of the engine, but also can reduce the burden of the cooling system, achieve the goal of simplified engine structure and reduce the weight.Thermal barrier coating system is a kind of multilayer structure, generally including matrix, BC, ceramic coating layer and the bonding layer in the process of p
7、reparation and use of the bonding layer and ceramic layer formed on the interface of oxide layer TGO substrate material is generally high temperature nickel or cobalt base alloy, bonding layer material is MCrAlY (M said Ni and/or Co), ceramic material is commonly 6% 8% (mass fraction) Y2 O3 partial
8、stability of ZrO2 (YSZ), mainly of Al2O3 TGO layer. After workers at home and abroad for decades of research show that the coating failure usually occurs within the TGO within or near the TGO YSZ and bond layer. In the study of the finite element analysis of thermal barrier coating, different schola
9、rs at home and abroad in setting up the model of using the coating structure of the different size and different stress free state temperature, due to the existence of the TGO and growth plays an important role in the failure of coating, so in the finite element analysis, the structure of the coatin
10、g is different mainly concentrated in the shape of the TGO or insulation of ceramic layer and the bonding interface, widely used in the finite element analysis of TGO sine (cosine) curve shape form, this simplified mainly evolved from the actual interface shape, both reflects the interface between u
11、neven, and the simplified calculation and analysis. Through the finite element analysis and calculation, can get the coating internal stress distribution condition, so as to guide the researchers damage to the coating failure make reasonable analysis and research.For these reasons, this paper USES t
12、he orthogonal analysis method, selecting TGO temperature and stress state as the research object, the thermal barrier coating system for turbine engine blade TGO thickness, wavelength, amplitude and stress free state at room temperature (25 ) and high temperature work condition the influence of the
13、ceramic layer and internal stress are analyzed.Using finite element analysis method, using the Walker viscoplastic material constitutive model for calculating the spray on the pipe type specimens of thermal barrier coating at room temperature and the thermal stress of high temperature environment. U
14、sing orthogonal design test is commonly used in analysis method, on the analysis of the structure of various thermal barrier coating and spraying process of four factors at different levels of the impact of thermal stress in thermal barrier coating. The analysis results show that for the inspection
15、of dangerous points, four kinds of factors on the thermal stress in thermal barrier coatings (TBCS) have significant effect, of which the thickness of the oxide layer on its most affected; Four factors as their respective level of coating internal stress changes the influence law of different.Key wo
16、rds: thermal barrier coatings. The thermal stress. Finite element method (FEM)目 录第 1 章 绪论1第 2 章 模型的建立第 3 章 有限元仿真及其仿真结果第 4 章 总结与展望参考文献致谢第 1 章 绪 论1.1 引言为了使现代高性能航空飞行器适应更高的飞行速度和机动性，航空燃气涡轮发动机必须向着高压比、高涡轮前温度、高推重比、高单位迎面推力、高可靠性和低耗油率发展。在过去的五十多年里，涡轮发动机热端部件材料已经历由锻造高温合金铸造高温合金定向凝固合金单晶的变迁过程，现役涡轮部件通常选用的材料都是具有较好高温力学
17、性能的镍基高温耐热合金，且再想要通过改进基底材料以及发动机结构设计来提升高温合金甚至单晶高温合金的耐热极限已经极端困难。目前，先进发动机的推重比大约在 10 到 12 之间，涡轮前温度已超过 1600C；未来推重比为 12 到 15 的发动机涡轮前温度将接近油气最佳混合燃烧温度(约 2200C)，这些都远远超过现役高温合金的熔点温度。在这种情况下，为了满足燃气涡轮机对材料更苛刻的性能要求以及提高燃气涡轮发动机的热效率，利用热障涂层(Thermal Barrier Coatings, 简称 TBCs)的隔热特性降低叶片基底温度这一技术在国外先进航空发动机中得到了广泛应用。实践证明，热障涂层在提高
18、发动机部件服役温度方面是十分有效的。据报道，在航空涡轮发动机的涡轮叶片上涂覆一层厚度为 250m 的热障陶瓷涂层，就可以使镍基合金的温度下降 110170C，这相当于过去 20 多年改进耐高温合金材料获得的收效总和。图 1.1 将发动机叶片制备技术和热障涂层技术对提高发动机叶片服役温度进行了对比。由此可以看出，与发动机高温合金材料制备技术的改进对比，热障涂层技术对于提高发动机热端关键部件服役温度的效果更为显著。1.2 热障涂层的概述 1.2.1 热障涂层的概念 1953 年美国国家航空航天局(NASA)研究中心提出了热障涂层的概念，它主要是利用陶瓷材料具有熔点高、热传导率低、辐射率低和反射率高
19、等特点，将陶瓷粉末喷涂或沉积在高温合金热端部件表面(尤其是涡轮叶片)，以降低高温部件的工作温度，大大延长高温部件的使用寿命，使现代航空涡轮发动机内高温合金部件在高于其熔点温度的服役环境中工作成为可能，进而提高航空发动机的热效率。美国N. P.Padture 等人在上指出：热障涂层系统是所有涂层系统中结构最复杂的，也是最急需应用在航空发动机和工业涡轮机内高温部件的一种隔热涂层。经过几十年的发展，热障涂层系统发展成一个典型的多层复合系统，主要包括四层材料：耐高温镍基合金基底(Ni-superalloy substrate)、粘结层(Bond Coat, 简称 BC)、热生长氧化层(Thermall
20、y Grown Oxide, 简称 TGO)和陶瓷涂层，典型的热障涂层截面结构如图 1 所示。目前应用最广泛、研究最多的陶瓷涂层材料为含质量分数分为 6%8%的 Y2O3 部分稳定的ZrO2(简 68YSZ)。与其他陶瓷材料相比，ZrO2 具有高熔点、高强度、高的断裂韧性、高的热膨胀系数、良好的耐高温腐蚀性、耐磨性以及较低的热导率；ZrO2 的热膨胀系数与粘结层材料的热膨胀系数较为相近，所以由热失配引起的应力相对较小；此外，添加少量的Y2O3，可以使 YSZ 材料的热导率更低，抑制 ZrO2 相变，增加热障涂层的稳定性，提高抗热冲击的性能，起到良好的隔热作用。BC 层主要为 MCrAlY 合金，其中 M 代表 Ni、Co 或 Ni+Co。它可以缓解陶瓷涂层和基体的热膨胀不匹配，同时也可以提高基底的抗氧化抗腐蚀能力。在长时间的高温服役环境下，BC 层的 Al 向外扩散，与氧气发生反应后生成致密的氧化物(Al2O3)，这就是 TGO 的主要成分。TGO 的生成可以阻止高温燃气对粘结层之下的耐高温金属材料的进一步氧化，但会显著影响热障涂层的使用寿命影响。当其厚度超过810m，涂层便会开始脱落。
