熱障涂層的力學(xué)特性及熱疲勞特性研究

熱障涂層的力學(xué)特性及熱疲勞特性研究

1復(fù)合材料的力學(xué)性能鑒于航空發(fā)動機(jī)的高要求，為了保證涂層的安全有效使用，應(yīng)不斷改進(jìn)涂層材料的工藝，提高涂層材料的性能。然而，這只是工程應(yīng)用的第一步。為了確保服務(wù)的可靠性，有必要在現(xiàn)有技術(shù)條件下研究涂層的強(qiáng)度和長度。分析涂層強(qiáng)度與壽命的前提條件是對涂層在給定載荷條件下的應(yīng)力-應(yīng)變精確的分析,之后提取適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度與壽命控制參數(shù)。分析應(yīng)力-應(yīng)變需要材料數(shù)據(jù),而我國在熱障涂層的材料數(shù)據(jù)方面的積累相對較少。楊氏模量是材料的關(guān)鍵力學(xué)性能參數(shù),對于多層材料結(jié)構(gòu)的楊氏模量的測試方法很多,如納米壓痕法、彎曲梁法以及拉伸法。而對于熱障涂層薄且脆的陶瓷層來講,在高溫條件下進(jìn)行測試,這些方法都有弊病和局限性。本研究通過利用懸絲共振的方法測試了高溫下我國現(xiàn)有工藝條件制備的等離子熱障涂層的楊氏模量。涂層剝落的主要原因是內(nèi)部裂紋擴(kuò)展與融合,近幾年國內(nèi)外的相關(guān)研究著重于從斷裂及損傷的角度分析涂層的失效機(jī)理,并取得了有意義的結(jié)論。另外還從微觀失效機(jī)理開展研究,其研究對象針對氧化層TGO,此方向是近期國際研究的熱點(diǎn)之一。本研究通過對管狀試樣熱循環(huán)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析,運(yùn)用商業(yè)Marc有限元方法模擬了實(shí)際高溫循環(huán)下的氧化層形貌,對熱障涂層系統(tǒng)進(jìn)行了溫度場分析及應(yīng)力-應(yīng)變分析,進(jìn)而精確地預(yù)測了熱障涂層的壽命,對熱障涂層的高溫性能與熱疲勞特性進(jìn)行了研究,具有重要的理論與工程應(yīng)用價(jià)值。2試驗(yàn)與研究2.1不同溫度條件下的共振頻率試樣的基體為1Cr18Ni9Ti不銹鋼,試驗(yàn)溫度范圍為室溫~1150℃。運(yùn)用共振測試原理與材料力學(xué)復(fù)合梁理論,僅僅需要獲得不同溫度條件下的共振頻率即可獲得表層-陶瓷層的楊氏模量。采用懸絲耦合共振法測量熱障涂層的楊氏模量,首先制備矩形截面的剛性桿作為載體桿,其幾何尺寸在120mm×10mm×1mm。使用METCO公司的7M型空氣等離子噴涂系統(tǒng)噴涂試件。用工業(yè)丙酮對試件進(jìn)行表面清理,去除油漬,并經(jīng)SiC噴砂處理后,對試件表面進(jìn)行空氣等離子噴涂。試驗(yàn)結(jié)果見表1。2.2復(fù)合材料熱疲勞載荷為模擬導(dǎo)向器葉片的薄壁結(jié)構(gòu),并考慮曲率半徑的影響,熱疲勞實(shí)驗(yàn)采用圓管試樣?；w材料為定向結(jié)晶高溫合金DZ40M。試樣表面采用等離子熱障涂層,其中粘結(jié)層厚度為0.115mm,成分為Ni22Cr10Al1.0Y;陶瓷層厚度為0.251mm,成分為8%Y2O3·ZO2。根據(jù)研究的需要,考慮到熱疲勞損傷和氧化損傷的同時(shí)作用,采用梯形波進(jìn)行加載,這種加載形式的結(jié)果也是為了以后用來驗(yàn)證壽命模型的可靠性。梯形波的加熱段設(shè)定為2.5min,考慮到某發(fā)動機(jī)一個(gè)典型的工作循環(huán),保溫段設(shè)定為0.5min,冷卻段設(shè)定為4.5min。圓管試樣熱疲勞載荷曲線如圖1所示。共對三個(gè)試樣進(jìn)行了熱疲勞試驗(yàn),其壽命分別為430次、350次和330次循環(huán)。3對死者的分析3.1熱能涂層的應(yīng)力狀態(tài)分析以試驗(yàn)用圓管試樣為例,建立軸對稱模型,為更精確地模擬熱障涂層的實(shí)際表面形態(tài),運(yùn)用正弦曲線模擬粘結(jié)層與陶瓷層之間的表面形態(tài),有限元模型的局部放大如圖2所示,有限元模型共有2142個(gè)節(jié)點(diǎn),2020個(gè)四節(jié)點(diǎn)軸對稱單元。有限元計(jì)算的陶瓷層材料數(shù)據(jù)利用本文測得的楊氏模量,鑒于我國目前的材料性能數(shù)據(jù)比較少,模型中所需的其它力學(xué)及有關(guān)熱性能參數(shù)(包括泊松比、屈服應(yīng)力、熱傳導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)等),主要參考國外文獻(xiàn)的研究成果進(jìn)行模擬試樣的彈塑性分析。與實(shí)際試樣相比,模型的寬度較小,在此情況下兩側(cè)邊界對整個(gè)應(yīng)力場影響很大,為避免邊界效應(yīng),需要將模型一側(cè)的節(jié)點(diǎn)沿著X方向(軸向)位移固定,另外一側(cè)通過采用Marc的多點(diǎn)自由約束技術(shù),保證邊界節(jié)點(diǎn)軸向位移協(xié)調(diào)變形。在熱障涂層的熱疲勞研究中,人們最關(guān)心的是冷卻階段,因?yàn)闊岵黄ヅ涞挠绊懼饕w現(xiàn)在此階段產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。經(jīng)過有限元計(jì)算,在波峰、中點(diǎn)以及波谷處的軸向應(yīng)力與徑向應(yīng)力的分布有明顯不同。薄膜剝落失效的應(yīng)力狀態(tài):殘余軸向應(yīng)力為壓應(yīng)力,徑向應(yīng)力為拉應(yīng)力。而對于熱障涂層系統(tǒng)的分層,也同樣應(yīng)該是拉應(yīng)力作用在垂直于粘結(jié)層/陶瓷層界面和粘結(jié)層或者氧化層,壓應(yīng)力作用在涂層的軸向方向。在波峰處的這種應(yīng)力狀態(tài)是氧化層失穩(wěn)——屈曲和分層的典型應(yīng)力狀態(tài),可以斷定在粘結(jié)層的波峰處是熱障涂層的危險(xiǎn)部位(圖3)。圖中的σr和σz分別是模擬試樣沿壁厚的徑向應(yīng)力和軸向應(yīng)力。3.2涂層壽命預(yù)測模型根據(jù)國外的熱障涂層的研究成果,本研究采用如下的疲勞壽命模型:N=[(Δεf0/Δε)(1?δ/δc)c+(δ/δc)c]b(1)Ν=[(Δεf0/Δε)(1-δ/δc)c+(δ/δc)c]b(1)模型中的b=7.64,Δεf0=0.016,c=1.0,經(jīng)過計(jì)算,氧化厚度δc=23.28μm。有學(xué)者認(rèn)為熱障涂層的危險(xiǎn)點(diǎn)處于TBCs系統(tǒng)的粘結(jié)層/陶瓷層界面之間,如果假設(shè)粘結(jié)層的表面形貌為正弦曲線,則也就是認(rèn)為危險(xiǎn)點(diǎn)在粘結(jié)正弦曲線的波峰位置處,這與本研究的結(jié)果是一致的。另外,有些學(xué)者認(rèn)為軸向應(yīng)變范圍是重要的疲勞控制參量,即高溫?zé)崞谀Ｐ椭袘?yīng)變范圍參數(shù)。本研究根據(jù)對涂層失效的破壞分析,認(rèn)為軸向應(yīng)變是一個(gè)主要因素。而徑向應(yīng)變的作用,從受力狀態(tài)分析可以看出,徑向應(yīng)變的存在有促使分層和屈曲發(fā)生的趨勢。綜上所述,熱障涂層的壽命模型式的參數(shù)均已確定,因此可以計(jì)算得到熱障涂層的壽命。式(1)適用工況為單一循環(huán)載荷,對于多載荷條件下的壽命預(yù)測可以引入累積損傷的概念。根據(jù)Miner線性累積損傷模型,假設(shè)在某種載荷作用下一次循環(huán)造成的損傷為Dm=1/Nm,則多載荷工況下的損傷總計(jì)為:D=∑m=1,knm?Dm=∑m=1,knm/Nm(2)D=∑m=1,knm?Dm=∑m=1,knm/Νm(2)式中,Nm代表某個(gè)載荷工況下的循環(huán)壽命,nm為該工況下的循環(huán)次數(shù),當(dāng)累積損傷系數(shù)D≥1時(shí),表示涂層失效。根據(jù)以上的理論分析可以計(jì)算出壽命。試驗(yàn)與預(yù)測壽命分別見表2。本文所研究的針對氧化層的應(yīng)力-應(yīng)變分析方案及對熱疲勞壽命模型的修正是比較合理的。由于驗(yàn)證的數(shù)據(jù)較少,因此預(yù)測模型的可靠性還有待進(jìn)一步檢驗(yàn)。4熱疲勞性能試驗(yàn)研究,提出了在相應(yīng)的溫度載荷條件下的熱疲勞試驗(yàn)研究以確定熱疲勞1)室溫~1150℃熱障涂層表層-陶瓷層的楊氏模量為62.5~18.6GPa;2)根據(jù)帶熱障涂層渦輪葉片的幾何和載荷特點(diǎn),設(shè)計(jì)了帶涂層圓管模擬試樣,開展了帶涂層圓管模擬試樣的熱疲勞試驗(yàn)研究,獲得了相應(yīng)