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。      

热障涂层氧化和热疲劳寿命实验研究

本论文是热障涂层氧化和热疲劳寿命研究工作的第一部分,主要针对等离子、EB-PVD两种类型的涂层,开展涂层的氧化和热疲劳实验研究,并为后面建立和校核涂层的寿命预测模型奠定实验基础。整个研究工作的重点放在设计合适的实验方案或方法,了解国内目前涂层喷涂工艺水平下涂层的寿命特点和失效模式,并结合微观的分析,了解涂层氧化和热疲劳失效的机理。整个实验工作分为涂层氧化实验和热疲劳实验;氧化实验考虑到了氧化增重和氧化层厚度的两个参量的测量;热疲劳考虑到了主要由循环热不匹配应力引起的寿命失效和带高温保持时间的热循环疲劳失效,及其氧化的影响。      

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.      

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。      

热障涂层的热疲劳试验方法

提出了采用圆筒状试样、用电炉加热-水冷的方式,在符合 HB 6660-1992 规定的热疲劳试验机上测定热障涂层热疲劳抗力的试验方法.给出了试样图,规定了试验设备和试样的安装方法;制订了包括试验参数的确定、试验温度的测量与控制和热疲劳抗力的测量方法等全部试验程序;分析了不同试验条件下涂层的损伤规律,提出了涂层失效的判定...     

涡轮导向叶片热疲劳分析

某型涡扇发动机在进行地面性能试验时,高压涡轮导向叶片多台次出现了严重裂纹故障。本文以其失效分析为背景,推导出导向叶片瞬态温度场的计算方法,并对该导向叶片进行了瞬态温度场数值分析,进而得出导向叶片的瞬态热应力分布与热疲劳寿命的计算结果。同时对此故障产生的原因进行进一步的分析。分析的结果与该机地面性能试验数据基本吻合,因此,此分析过程可作为热疲劳寿命计算的借鉴。      

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     

GH30合金疲劳-蠕变概率模型的研究

基于疲劳-蠕变特性函数基础上,提出了针对镍基高温合金材料的疲劳-蠕变耦合失效模式的概率模型的研究方法.针对镍基合金GH30的连续疲劳-蠕变交互作用的试验结果,确定了GH30在600℃温度下的疲劳-蠕变特性函数,考虑随机因素后,进行了GH30材料在疲劳-蠕变耦合失效模式下的概率模型分析,研究表明随机因素对材料的失效概率很大,通过灵敏度分析可确定影响破坏的主要因素以提高寿命.      

梯度热障涂层的设计和性能与失效研究

介绍了梯度热障涂层的表层、底层及梯度过渡层材料的选用和设计原则,对梯度热障涂层的抗热震性能、抗氧化性能和力学性能的研究成果作了综述，探讨了梯度热障涂层的失效机理，并指出了需进一步研究的问题。     

等离子热障涂层失效机理的数值分析研究

针对带等离子喷涂热障陶瓷涂层的圆筒金属基体结构在典型热循环载荷作用条件下的力学响应进行了数值计算,基于陶瓷层中的应力结果对陶瓷层剥落失效机理展开了分析.计算时对陶瓷层材料分别按理想线弹性本构和黏塑性本构模型开展了模拟.分析发现,陶瓷层的界面(横向)开裂存在两种模式:在降温过程中,陶瓷层容易出现界面波峰处的Ⅰ型开裂与腰部位置处的Ⅱ型开裂;在升温过程中,陶瓷层容易发生垂直开裂使结构中出现陶瓷层/基体的界面端,界面端部严重的应力集中效应使陶瓷层容易在该处横向开裂形成界面处的边裂纹.      

基于云纹干涉与钻孔法的等离子热障涂层残余应力实验研究

应用云纹干涉法与钻孔法结合的光测力学实验方法,研究了等离子热障涂层基体材料镍基高温合金DZ125的残余应力。通过实验和计算获得了等离子喷涂工艺下基体DZ125的残余变形场、残余应变场和残余应力,并描述了其主要特征。结果表明,采用云纹干涉法与钻孔法结合测定热障涂层残余应力具有全场测量和高灵敏度等优点,这对于采用光学手段研究热障涂层残余应力有着积极的意义。     

激光熔敷氧化锆热障涂层微观结构研究

采用5KW连续CO_2激光器对Ni基高温合金上二次重熔NiCoCrAlY和ZrO_2陶瓷层进行了研究。结果表明:激光快速熔化和凝固获得定向外延生长、紧密堆积的柱状晶氧化锆陶瓷层。NiCoCrAlY结合层与柱状晶之间存在氧化铝层,保证了柱状晶与NiCoCrAlY层的联结。激光重熔ZrO_2层由四方相和立方相组成,经快速冷却由高温保留至室温。     

热障涂层在涡轮叶片应用中的热防护有效性

建立了含热障涂层的涡轮叶片简化传热模型,通过理论推导建立了热障涂层的有效性判据,并基于此进行了热防护有效性分析。理论分析与数值实验表明:由热障涂层带来的复合传热表面传热系数的变化会显著影响热障涂层的热防护效果;在发动机典型工况下,对于处于高温区的高压涡轮叶片前缘处,热障涂层引起的复合传热表面传热系数变化率最大值的范围为1.25%~10.83%以满足热防护有效性要求。在工程中应特别注意由于热障涂层的应用带来的复合传热表面传热系数的变化,否则会导致热防护失效,甚至产生反效果。      

换热系数对热机耦合作用下热障涂层性能的影响

通过有限元计算分析了热机耦合作用下的热障涂层不同的内壁换热系数对涂层系统隔热效果和应力分布的影响,为选择合适的内壁换热系数提供了参考作用.计算结果表明:随着内壁换热系数的增加模型中的温度随之降低,内外壁的温差以非线性曲线的形式增加;在热氧化生成层附近产生了较大的应力,并且主应力值随着换热系数的增加而增大.      

长寿命热障涂层的剥落机理及抗剥落结构设计

涂覆于高温合金热端部件表面的热障涂层,具有隔热防护作用,属新一代燃气轮机的关键核心技术。等离子喷涂制备的热障涂层隔热性能好,但长时间高温服役后存在开裂剥落问题,引发基体烧蚀、造成巨大经济损失。因此,发展长寿命热障涂层是该技术领域的重大难题。本文从等离子喷涂热障涂层的独特层状结构特征入手,阐述涂层在高温服役中结构和性能的演变规律,揭示涂层剥落失效机理,总结长寿命热障涂层设计方法。研究表明,等离子喷涂热障涂层呈现以连通2D孔隙为主的层状多孔结构,具有优异的隔热功能和协调应变能力。然而,涂层在高温服役中发生烧结,2D孔隙大量消失,涂层显著刚化,使热障涂层开裂驱动力急剧增加,引发微观裂纹扩展并贯通形成大尺度裂纹,导致涂层最终剥落失效。据此,分别从降低开裂驱动力和增加开裂阻力两方面着手,总结抗开裂新结构涂层设计方法,为研发长寿命热障涂层指明了发展方向。在未来研究中,如何保证涂层高隔热和长寿命并同时兼顾经济性,是发展新一代高性能热障涂层的重点方向。     

热障涂层失效行为及其修复再制造研究进展

热障涂层（TBCs）技术是降低燃气轮机热端部件表面温度、防止高温腐蚀、实现更高推重比的有效途径,但如果涂层失效,将会影响航空发动机使用的安全性。本文首先介绍了 TBCs 的成分结构,其次总结了冲蚀与外物损伤、烧结氧化、腐蚀三种常见的热障涂层破坏形式,然后阐述了国内外现阶段对破损或失效涂层的修复及再制造方法,最后针对如何抑制裂纹形成和扩展,提高热障涂层可靠性的问题进行了展望。     

EB-PVD热障涂层等温氧化过程中的界面韧性变化

用压入法测试了电子束物理气相沉积热障涂层在1100℃等温氧化过程中的界面韧性,该热障涂层体系的界面韧性(Гi)在38～45J m2之间。在等温暴露过程中,界面韧性Гi变化较小;但由于TGO增厚引起涂层的弹性应变能(G0)快速增长,使得归一化的界面韧性(Гi G0)随暴露时间而急剧降低,逐渐趋于1。结果表明,粘结层的热生长氧化物(TGO)的增厚是热障涂层失效的一个重要原因。