热障涂层界面形貌参数对残余应力的影响

为了研究燃气轮机叶片热障涂层在降温过程中的应力场分布规律,基于ANSYS有限元分析软件,建立了微观二维涂层系统的数值模型;通过热-结构间接耦合获得了非齐次温度分布以及应力分布;主要研究了存在正弦形氧化层界面时界面路径及界面不平整度(幅值/波长)对涂层界面三个应力分量σx、σy、τxy的影响;通过分析沿氧化层上下界面各应力分量变化情况得到易起裂位置。结果表明:(1)σx的最大值出现在热障涂层与氧化层界面波峰处;σy的最大值出现在氧化层与粘结层界面波峰处;τxy的最大值出现在正弦氧化层拐点处;(2)热障涂层/氧化层界面波峰处易形成垂直界面的裂纹;氧化层/粘结层界面波峰处易形成沿界面方向的裂纹,发生分层破坏;氧化层层内正弦拐点处易形成分层裂纹;(3)分别改变幅值和改变波长时两种方式下的σy和τxy随不平整度的变化规律均趋于一致;当界面不平整度A/T的比值大于0.25时,σx在改变幅值情况下先增大后减小,在改变波长情况下先减小后增大。     

热对流作用下筒壁涂层的边裂行为

边裂(边缘开裂)是涂层热致损伤的主要模式之一. 边缘裂纹穿透涂层后,常导致界面脱粘从而驱使涂层与基体剥离,最终丧失对基体的保护作用. 本文以热应力强度因子表征边缘裂纹的扩展驱动力,研究筒壁涂层在热对流作用下的边裂行为. 首先,利用拉普拉斯变换法,得到了瞬态温度场及热应力场的封闭解. 其次,运用Fett等的三参数法确定了筒壁涂层边缘裂纹的权函数. 最后,基于叠加原理和权函数方法计算了边缘裂纹的热应力强度因子. 探讨了无量纲时间、边缘裂纹深度、基体/涂层厚度比、热对流强度等参数对热应力强度因子的影响规律. 结果表明:热应力强度因子的峰值既非发生在热载荷初始时刻,也非发生在热稳态时刻,而出现在时间历程的中间时刻;增大热对流强度不仅可提高热应力强度因子的峰值,而且使峰值提前出现;其他条件相同时,热应力强度因子随着边缘裂纹长度的增大而降低;增大涂层厚度或减小基体厚度可增强涂层抵抗瞬态热载荷的能力.      

热对流作用下筒壁涂层的边裂行为

边裂(边缘开裂)是涂层热致损伤的主要模式之一.边缘裂纹穿透涂层后,常导致界面脱粘从而驱使涂层与基体剥离,最终丧失对基体的保护作用.本文以热应力强度因子表征边缘裂纹的扩展驱动力,研究筒壁涂层在热对流作用下的边裂行为.首先,利用拉普拉斯变换法,得到了瞬态温度场及热应力场的封闭解.其次,运用Fett等的三参数法确定了筒壁涂层边缘裂纹的权函数.最后,基于叠加原理和权函数方法计算了边缘裂纹的热应力强度因子.探讨了无量纲时间、边缘裂纹深度、基体/涂层厚度比、热对流强度等参数对热应力强度因子的影响规律.结果表明:热应力强度因子的峰值既非发生在热载荷初始时刻,也非发生在热稳态时刻,而出现在时间历程的中间时刻;增大热对流强度不仅可提高热应力强度因子的峰值,而且使峰值提前出现;其他条件相同时,热应力强度因子随着边缘裂纹长度的增大而降低;增大涂层厚度或减小基体厚度可增强涂层抵抗瞬态热载荷的能力.     

基于圆筒模型的热障涂层安定分析

热载荷作用下,由于热障涂层(thermal barrier coatings, TBCs) 各层材料的热不匹配以及材料参数的温度相关等因素,会使热障涂层界面区域存在复杂的应力应变场,影响系统安定性,并导致涂层开裂和剥落. 将热障涂层外凸和内凹微观界面结构简化为多层圆筒模型,借助经典机动安定定理,利用特雷斯卡(Tresca) 屈服准则和增量破坏准则处理对时间的积分问题,避免了常规安定性分析的数学规划问题,建立了热障涂层安定极限分析方法,将材料屈服强度随温度变化关系简化为双线性关系,利用补偿变换的方法简化求解过程,对典型热障涂层安定性进行了研究. 结果表明,利用基于圆筒的安定极限分析方法,能够方便求解安定极限,便于工程应用;热障涂层安定极限值明显高于弹性设计值,且界面外凸区域安定极限高于内凹区域极限值,结构首先在内凹处失效;圆筒模型基体曲率和涂层厚度越大,结构安定极限越高,分析结果与试验结果一致;所建立的热障涂层安定分析方法,对进一步研究考虑蠕变因素影响的热障涂层安定性具有重要意义.      

热障涂层界面微区域热蠕变应力演化分析

热障涂层热循环载荷下不同界面层蠕变特性是影响界面微区域残余应力变化的关键因素,探究热障涂层蠕变与残余应力的关系有助于提高热障涂层的稳定性。以热弹塑蠕变理论为依据,采用Norton蠕变模型,建立陶瓷层、氧化层、粘接层和基体四层几何分析模型,考虑不同层蠕变和蠕变程度因素,研究热循环载荷作用下涂层界面微区域应力演化规律。结果表明,蠕变参数和蠕变层数的变化影响热障涂层界面残余应力的大小和分布,这对预测热障涂层失效具有指导意义。     

界面裂纹问题中的通用权函数法

热载荷和机械载荷共同作用下复合材料中的裂纹扩展往往发生在界面处.传统求解热冲击及机械载荷共同作用下界面裂纹尖端的应力强度因子的数值方法(如有限元、边界元法等),计算工作量大、效率低.通用权函数与时间无关,运用通用权函数法可以免除对每个时刻的应力分析,计算效率可得到很大提高.本文将通用权函数法推广到求解热载荷和机械载荷共同作用下界面裂纹尖端的应力强度因子过渡过程的问题中,推导出求解平面双材料界面裂纹问题应力强度因子的通用权函数法计算格式.基于此格式,计算热载荷和机械载荷共同作用下界面裂纹尖端的应力强度因子.通过实例计算比较,表明此方法得到的结果可以达到与相互作用积分法相当的工程应用精度.最后,应用此方法研究了热障涂层受热冲击及表面力共同作用时裂纹长度以及涂层厚度对应力强度因子的影响.结果表明:在一定边界条件下,当热障涂层中存在边缘裂纹时,随着涂层厚度的增加,更容易导致裂纹的扩展和涂层的剥落.     

热障涂层氧化残余应力大小与演化过程测试

热障涂层是一种应用广泛的提高高温部件工作效率的技术,在通常的涂层中,粘结层起到过渡和保护基体氧化的作用,在高温环境下,粘结层会发生氧化,而氧化产生的残余应力将引起热障涂层的损伤,表现为涂层的屈曲、起裂和剥落,导致热障涂层失效。研究测试和检测涂层的残余应力,对于评估涂层的安全性和寿命是非常重要的。本文用应力引起光学频谱位移的方法测试了空气等离子喷涂热障涂层中残余应力的大小及分布,并测试了残余应力的大小随氧化时间的演化过程。     

热障涂层力学性能的实验测试方法研究进展

涂层-基体体系作为高温热障防护结构被广泛应用于航空、航天、核反应堆等涡轮发动机叶片上, 主要作用是抵抗高温燃气, 保护基体材料. 在服役过程中, 涂层过早出现开裂、脱粘等失效行为直接影响发动机的安全性和可靠性. 长期以来, 热障涂层力学性能的实验测试方法是国内外研究者关注的重点. 首先分析了导致热障涂层失效的失配应力的来源, 重点介绍了热障涂层力学性能研究的实验测试方法、仪器和针对界面脱粘检测的红外热像技术, 接着概述了热障涂层寿命预测方法, 最后分析当前研究中存在的问题, 并对未来的发展的一些方向和有待于进一步研究的问题作了总结.     

涂层式裂纹监测系统中基体裂纹穿越行为研究

建立了智能涂层的两相模型与三相模型,基于能量准则分别用这两种模型研究了基体裂纹达到涂层界面后的穿越/偏转行为. 用有限元法分析了相对裂纹扩展长度、弹性错配参数及界面层厚度对偏转裂纹与穿越裂纹能量释放率之比的影响,结果表明当基体裂纹到达驱动层与基体界面时,能量释放率之比不仅与基体和驱动层之间的弹性错配相关,而且当驱动层较薄时对驱动层与传感层之间的弹性错配亦有较强的依赖性. 此外,随着驱动层厚度的增加,能量释放率之比对驱动层与传感层之间的弹性错配的依赖性逐渐降低. 通过与实验结果相比,建立的模型能够较好的解释基体裂纹在界面的扩展行为,可用于智能涂层裂纹传感器的优化设计.      

重型燃气轮机高温透平叶片热障涂层系统中的应力和裂纹问题研究进展

燃气轮机是清洁高效火电能源系统的核心动力装备之一,是关乎国家能源安全和国防安全的战略高技术,是国家重大装备制造水平的标志,被誉为制造业王冠上的明珠。透平前燃气温度代表了燃气轮机的技术水平,人们一直在不断地追求燃气温度的提高。目前,国际最先进的重型燃气轮机的透平前燃气温度已达1600?C,未来还将向1700?C及以上发展。这种极端高温服役环境对高温透平叶片的设计和制造提出了严峻挑战,热障涂层（TBC）技术是解决这一问题的核心技术之一,在燃气轮机发展进程中发挥了重要作用,它不仅具有热障效果,而且还能防止氧化、腐蚀、外来物冲蚀等对叶片造成的损伤。因此,深入研究TBC的失效机理及其影响因素,对TBC的设计、制备及强度评价具有重要意义,对燃气轮机的安全服役具有重要作用。本文拟介绍重型燃气轮机高温透平叶片TBC系统中应力和裂纹问题的国内外最新研究进展,涉及理论、实验和数值分析几个方面。主要内容包括：TBC制备过程中的热应力,热生长氧化物（TGO）及其诱发的生长应力,TBC中的表面裂纹、界面裂纹及表界面裂纹间的竞争,TBC双轴强度评价方法,先进层级TBC中的表面和界面裂纹及其竞争,表面环境沉积物（CMAS）渗入诱发的涂层脱粘行为,陶瓷层烧结及其对TBC开裂的影响等。