热障涂层热疲劳寿命预测方法研究

本文是热障涂层氧化和热疲劳寿命研究工作的第二部分,在前面已开展涂层氧化和热疲劳实验研究的基础上,针对等离子、EB-PVD两种类型的涂层,建立涂层的寿命预测模型。由于这部分工作在国内尚属首次,因此着眼点放在模型建立及校核的方法研究上。主要工作包括涂层热疲劳寿命模型研究、寿命模型参数的提取、寿命关键部位的有限元应力应变分析方法等方面。整个研究完整地给出涂层寿命分析的整个过程和方法。并通过两类涂层的热疲劳寿命试验结果,验证和校核寿命模型的预测能力和可行性。      

等离子涂层涡轮导向叶片热疲劳寿命预测研究

针对等离子涂层涡轮导向叶片材料的变形特点,引入了粘塑性本构模型.进行了涂层高温氧化实验、带涂层构件热疲劳实验及有限元模拟研究.基于研究结果,建立了可以体现氧化损伤与热疲劳损伤耦合效应的寿命预测模型.计算分析了带涂层涡轮导向叶片的稳态温度场、涂层隔热效果和基于宏观尺度的应力应变场,研究了宏、细观有限元计算结果间的转换关系,提出了等效系数的方法,对涡轮导向叶片表面涂层的热疲劳寿命进行了预测.寿命预测结果合理,方法可行.      

等离子涂层热疲劳失效模式及失效机理研究

开展了等离子涂层构件热疲劳实验研究,对失效过程及失效模式进行考察,分析了对失效起主导作用的应力分量.针对陶瓷层材料引入粘塑性本构模型,对涂层的热疲劳进行数值模拟研究.分析表明,氧化层厚度为2 μm时,陶瓷层波峰位置容易萌生Ⅰ型横向裂纹,界面中部偏上位置容易萌生Ⅱ型横向裂纹;氧化层厚度为8 μm时,陶瓷层内部法向应力主导横向裂纹的扩展;不同厚度的氧化层内部将形成较高的应变能密度.给出了等离子涂层内部裂纹形成过程及机理.      

电子束物理气相沉积LaZrCeO热障涂层微结构与热循环性能

热障涂层(thermal barrier coatings,TBCs)是一种由金属黏结层、热生长氧化物层和陶瓷面层组成的金属-陶瓷复合系统,在先进的航空发动机领域上引起了广泛的关注,但目前先进热障涂层的热循环寿命提升和失效行为研究仍然是一个难点。本研究采用电子束物理气相沉积技术(electron beam physical vapour deposition,EB-PVD)制备LaZrCeO/YSZ双陶瓷层热障涂层,研究热障涂层的相结构、显微组织和失效行为。结果表明:LaZrCeO/YSZ涂层为烧绿石与萤石结构组成的复合涂层材料,LaZrCeO/YSZ涂层的微观结构由羽毛状纳米结构和柱内孔隙组成;在1100℃热循环条件下,LaZrCeO/YSZ双陶瓷层热障涂层展现了良好的热循环寿命;热循环实验后,由于应力累积的作用裂纹在热生长氧化层(TGO)中萌生并扩展,包括水平裂纹和垂直裂纹两大类,进而引起整个涂层体系的不稳定,最终导致涂层失效。     

DSM11镍基高温合金表面三种涂层高温性能

DSM11镍基高温合金表面制备Al-Si、Al和Co-Al三种涂层,研究三种涂层在900℃下的涂盐（质量分数为5% NaCl+95% Na₂SO₄）热腐蚀性能和800℃下的疲劳性能。实验结果表明:在900℃热腐蚀200h后,Al-Si涂层和Co-Al涂层表面腐蚀区均形成了以Al₂O₃为主的连续且致密的氧化层,抑制热腐蚀反应的进行,具有一定的抗热腐蚀性能;Al涂层表面腐蚀区形成了混合型氧化层,热腐蚀反应会持续进行,抗热腐蚀性能较差。在800℃的疲劳实验后,Al-Si涂层表面生成大量的微裂纹,涂层容易发生开裂,进而引起合金试样快速断裂;Co-Al涂层和Al涂层的合金试样表现较好的抗高温疲劳性能。在高温合金的防护涂层使用中,要充分考虑到涂层的服役环境,对相关性能进行综合评价,选出最适合的防护涂层。      

热障涂层的失效机理和力学模型

综述了热障涂层 (TBC)系统的结构特点、常规机械性能的测试方法、失效模式和失效机理 ,分析了现有的几种预测寿命模型。主要结论为 :无论是等离子喷涂法 ,还是电子束物理汽相沉积法 (ED -PVD)和电子束化学汽相沉积法制造的涂层 ,粘结层的氧化是失效的一个重要原因 ;目前广泛采用的压痕法以及数值分析法得到的涂层材料性能与实际情况都有较大的差距 ;在制造和热处理过程中带来的残余应力与残余应变对涂层寿命有较大的影响 ,当前的分析和实验手段都不能很好处理这个问题。重点分析了NASA提出的几个涂层寿命模型 ,这些模型都考虑了细观结构的变化和失效机理 ,但模型参数的确定有较大的困难     

热障涂层二向应力状态分析与危险点预测

热障涂层剥落是航空发动机热端部件失效的主要形式，研究热冲击环境下涂层的失效机制对提升发动机使用寿命具有重要意义。基于二维轴对称有限元模型、二向应力状态分析方法、唯像学和累积损伤理论建立了热障涂层危险点位置预测方法，阐明了热障涂层在热冲击环境下的失效机制。研究表明随氧化层厚度增加，陶瓷层内部轴向应力与剪切应力的峰值点沿余弦曲线的波峰向波谷方向移动；与传统应力分析方法相比，二向应力状态分析法得到的轴向应力与剪切应力峰值位置更加接近，有利于危险位置预测；基于唯象学寿命预测模型与疲劳累积理论相结合的方法，进一步确定出危险点位置在陶瓷层波峰至波谷轴向距离的3/10处，与实际陶瓷层内开裂的位置基本吻合，验证了危险点预测方法的准确性。     

基于Weibull分布函数的等离子喷涂涂层接触疲劳寿命预测

Weibull分布是最常用的处理和分析疲劳寿命的统计方法之一,但在对涂层接触疲劳寿命的研究中,大多学者在未做多元统计分析的基础上建立Weibull分布模型,在一定程度上影响了模型的准确性。本工作采用超音速等离子喷涂技术在45钢基体表面制备NiCrBSi合金涂层,使用球盘式接触疲劳试验机,对涂层进行不同载荷条件下的抗接触疲劳实验,得到涂层的接触疲劳寿命。通过范-蒙特福特检验法验证涂层接触疲劳寿命。结果表明:接触疲劳寿命数据符合Weibull分布;建立的Weibull概率分布图可在实验数据较少的情况下,精确表征涂层的接触疲劳寿命;建立的接触疲劳特征寿命及其对数与载荷之间的指数回归模型以及接触疲劳特征寿命的对数与载荷之间的线性回归模型,可在一定范围内精确表征涂层的接触疲劳寿命。     

基于BP神经网络的材料疲劳寿命可靠性仿真

疲劳累积损伤是一个非稳态过程中以遗传算法优化后的三层BP神经网络来真实描述疲劳损伤的复杂关系，并检验了BP网络模型的准确性。考虑到材料疲劳损伤临界值和载荷的分散性，建立了疲劳失效动态准则，运用蒙特卡罗随机抽样法来仿真材料疲劳寿命的可靠性。对调质45号钢在随机载荷和两级载荷作用下，进行疲劳寿命可靠性仿真，与实验结果和理论分析比较吻合。     

基于等效试验的蠕变-热疲劳寿命预测方法

 以往的蠕变疲劳寿命预测方法主要是针对蠕变-热机械疲劳提出的,一般不能很好应用于蠕变-热疲劳。由于蠕变 热疲劳试验周期很长,故寿命预测所需的失效数据难以得到。考虑材料的双线性随动强化和蠕变特性,深入研究了蠕变 热疲劳过程中应力和应变的规律。据此,提出把蠕变-热疲劳等效为恒定应力幅和平均应力的热 机械疲劳的寿命预测方法。由于热-机械疲劳试验不需保温时间,所需的试验装置简单、效率高,因此该方法有较好的应用前景。     

TBC界面裂纹K因子的有限元求解方法

本文针对由陶瓷层和粘结层构成的热障涂层(TBC)双层材料结构,探讨了应用裂纹面位移数据及J积分计算分析陶瓷层/粘结层界面裂纹应力强度因子的有限元方法。考虑了拉伸及热应力两种载荷情况。在传热分析时,考虑了界面裂纹对传热的影响。对于这类双材料界面裂纹,应力强度因子是型和型裂纹复合的,它包括应力强度因子的模和相位角。根据所得的结果比较。      

发动机高温结构隔热涂层的力学特性

介绍了发动机涡轮导向叶片隔热层的力学特性;涂层材料的物理性能以及基体材料在各种温度条件下与涂层的匹配;涂层在抗热震性方面的能力;涂层与基体材料组合结构的寿命失效模型,试验结果证明,隔热涂层对叶片具有良好的保护作用,对提高叶片工作温度和使用寿命很有好处。     

航空发动机热端部件隔热陶瓷涂层应用研究

针对涡轮导向器叶片和转子叶片隔热陶瓷涂层的结构体系及喷涂工艺技术发展,等离子和电子束物理气相沉积（ＥＢ－ＰＶＤ）涂层优缺点,涂层失效机理、涂层界面强度特性分析及寿命分析方法进行了阐述。并针对国内隔热涂层研究的现状及所做的初步研究工作,对我国隔热陶瓷涂层的发展提出了看法。     

热障涂层结合强度及失效模式研究

采用实验方法研究了热障涂层的结合强度,并探讨了温度、氧化时间、涂层厚度以及基体等因素对结合强度的影响。涂层采用了等离子和EB-PVD两种喷涂工艺,采用双向测试法,分析了粘结层氧化对涂层法向和切向结合强度的影响,研究结果表明同一种喷涂工艺方法,尽管涂层厚度不同,但其结合强度是非常接近的,为带涂层航空发动机部件的强度设计和分析以及涂层失效模型的建立提供的参考。      

Thermal Fatigue Behavior of Ni_3Al Based Superalloy IC6E

The thermal fatigue behavior of Ni3Al based superalloy IC6E during the cycles between 900 ℃/1 000 ℃ and the room tempera-ture was investigated. The experimental results indicate that the primary and secondary thermal fatigue cracks initiate inside or round the borides and then spread away along grain boundaries and/or in interdendritic areas. The fracture of borides and their separation from the matrix at interfaces are mainly responsible for the crack initiation and its spreading. At temperatures higher than 1 000 ℃, the grain boundary oxidation combined with cyclic stresses accelerates the crack growth.     

镍基高温合金GH536的热疲劳行为

燃烧室火焰筒作为航空发动机的热端关键结构件，在工作过程中受到复杂的循环温度载荷，使其承受热疲劳损伤.对火焰筒常用镍基高温合金GH536的热疲劳行为进行试验研究.根据火焰筒结构和载荷特征，设计了中心孔平板试样以及热疲劳试验，研究了热疲劳载荷条件下GH536平板的裂纹萌生及扩展规律，揭示了GH536的热疲劳破坏机理.研究发现:①热疲劳裂纹以穿晶模式萌生，以沿晶方式扩展并断裂；②随着热疲劳试验中上限温度的升高，裂纹的萌生寿命缩短，裂纹扩展速率加快，试样在800℃时的热疲劳裂纹萌生寿命是900℃裂纹萌生寿命的4.5倍.      

交流阻抗谱法在热障涂层失效研究中的应用

介绍了交流阻抗谱法作为无损检测方法在热障涂层失效分析中的应用。通过对热循环、静态氧化过程中热障涂层体系的阻抗谱分析,利用交流阻抗谱对热障涂层进行拟合,得到了服役过程中D_M以及TGO电阻R拟合的结果与氧化时间呈抛物线关系;并根据阻抗的变化确定了粘结层的氧化过程中氧化物成分从Al₂O₃变化到混合氧化物的过程;对陶瓷层电阻的拟合结果表明,陶瓷层在热循环250~350次之间的电阻变化与陶瓷层内微观结构以及应力的变化有关。     

大气等离子喷涂热障涂层高温氧化行为研究

采用等离子喷涂工艺在GH4099合金基体上制备了热障涂层,并进行了1050℃恒温氧化试验,综合利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、能谱分析仪等检测手段,分析了涂层的显微结构及高温氧化行为。结果表明：等离子喷涂（APS）热障涂层在高温氧化过程中,黏结层被氧化生成热生长氧化物（TGO）。但长时间氧化后,在与TGO毗邻的金属黏结层中产生了范围较窄但浓度变化较大的贫Al带,TGO层出现保护性Al2O3向非保护性混合氧化物转变的现象,导致致密Al2O3层的连续性被破坏,TGO厚度快速增加。