NiCoCrAlY/YSZ梯度涂层热力学性能的有限元模拟

采用代表体积单元法建立NiCoCrAlY/YSZ梯度热障涂层的有限元二维微观模型，计算不同相成分配比下梯度层的热物理性能参数，将参数结果推广到三维多层涂层实体模型，研究热循环过程中双层结构涂层和梯度结构涂层的热力学性能。结果表明：梯度层的弹性模量、泊松比、热膨胀系数、导热系数与各相成分比例近似呈线性关系，导热系数受各相分布形态的影响；当梯度层中NiCoCrAlY相成分比例在0.7以下时，导热系数较低，常温状态最高为2.91 W·m^-1·K^-1。相比于双层结构涂层，梯度结构涂层的YSZ成分比例降低20%，隔热温度降低14%，陶瓷面层在高温时产生的热失配径向拉应力降低47%，轴向拉应力降低32%，切应力降低37%，冷却后的残余应力降低50%，这归因于涂层结构的梯度化有效降低涂层与基体热膨胀系数不同而产生的热失配应力。根据涂层应力分布结果，涂层易在TC/BC界面的中心区域形成垂直裂纹，靠近外侧边缘区形成水平裂纹。     

热障涂层水助激光扫描加工试验

为了提升涡轮发动机的整体性能和可靠性，需要在带热障涂层(TBC)的单晶高温合金涡轮叶片上制备大量气膜冷却孔，激光加工是实现“先涂层后打孔”的优势加工手段。采用水助激光扫描加工方法，通过正交试验和单因素试验研究了各因素对TBC损伤程度和TBC材料去除率的影响关系，试验结果表明对涂层剥落损伤的影响程度由大到小依次为光斑重叠率、激光重复频率、激光器电流和水泵电压，当光斑重叠率为98%、激光重复频率为50 kHz、激光器电流为38 A、水泵电压为14 V时，可以避免TBC水助激光加工出现剥落损伤；对TBC材料去除率的影响程度由大到小依次为激光器电流、激光重复频率、水泵电压和光斑重叠率，当优选激光器电流为38 A、激光重复频率为15 kHz、水泵电压为14 V、光斑重叠率为80%时，TBC材料去除效率最高。分析了TBC水助激光加工涂层剥落损伤的形成原因是热应力和等离子体力学冲击共同作用的结果，同时水助激光加工产生的气泡空蚀会导致加工区域周边涂层颜色变白，影响范围约为59.5μm,空蚀去除厚度约2.7μm。以上研究为带热障涂层单晶高温合金涡轮叶片气膜孔水助激光高效低损伤加工提供了技术支撑。