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.      

高温氧化对EB-PVD热障涂层内部应力场分布影响的数值模拟

针对电子束物理气相沉积(EB-PVD)热障涂层(TBCs)复杂结构的特点,选用Walker黏塑性本构模型实现对其高温力学行为的准确描述.选择具有叶片曲率特征的圆管试样,并借鉴实际发动机载荷特征进行数值分析.重点考虑EB-PVD热障涂层界面的形状以及热生长氧化层(TGO)厚度变化对应力场的影响.计算结果表明,直线型界面对EB-PVD热障涂层结构的应力场改变不大,而余弦界面对EB-PVD热障涂层的应力场改变的幅度可达2倍之多;热生长氧化层的出现导致陶瓷层界面处的应力绝对值增加;无论是循环至最高温度1 050℃还是冷却到100℃时,界面波谷始终受径向压应力,此处不易形成损伤,而波峰处的应力比较大,且其应力状态是损伤容易形成的部位,可以认为是陶瓷层失效与破坏的危险点.     

热载荷下热障涂层表-界面裂纹间的相互影响

针对高温热载荷条件下APS制热障涂层裂纹失效问题,基于涂层系统热弹、热弹塑性本构关系,考虑陶瓷层/氧化层/粘结层界面凹凸形貌,依据表、界面裂纹位置、性质不同,分别运用断裂力学和损伤力学理论建立裂纹演化模型,结合围线积分和内聚力单元法,分析了热载荷下表、界面裂纹断裂参量及开裂状态,研究了陶瓷层表面裂纹与粘结层/氧化层界面裂纹间的相互影响,揭示了热、力、化多场耦合下的裂纹失效机理。结果表明,表面裂纹大幅改变界面微区域的应力分布状态,靠近界面时能使界面裂纹扩展程度整体增加20%,且相邻凸峰处开裂非均匀性可达81%,表面裂纹断裂参量主要受多层结构热失配及缺陷主导,界面裂纹对其影响相对较小,分析结果与试验结果一致。      

纤维增强钛基复合材料结构强度计算模型建立与修正方法

为了对SiC纤维增强钛基复合材料结构强度进行准确预测,基于宏-细观力学跨尺度分析方法,对复合材料强度进行计算。建立了复合材料层合板的有限元仿真计算模型,对复合材料层合板在横向拉伸与压缩载荷作用下的损伤演化及失效强度进行预测,并进行试验验证。建立细观力学代表体积元（RVE）模型,对模型施加周期性边界条件,实现横向拉、压载荷下基体的应力集中系数以及失效强度的计算。考虑结构实际受载中,复合材料的界面开裂对横向强度的影响,对模型进行修正,分析界面开裂的过程,计算修正后模型的应力集中系数以及失效强度,修正后的模型预测精度提升6.51%,与试验值误差为24.17%,验证了纤维增强复合材料强度计算方法的有效性。     

单向陶瓷基复合材料阻尼计算方法

根据陶瓷基复合材料界面脱黏区及黏结区纤维和基体的应力分布,分析了拉伸和卸载时纤维相对基体的滑移机制,发展了单向陶瓷基复合材料阻尼的计算方法,并进行了数值分析.结果表明:①陶瓷基复合材料本身固有黏弹性阻尼很小,材料发生基体开裂后,界面滑移而引起的摩擦耗散成为材料主要的阻尼机制;②减小界面剪应力或减小纤维体积含量可以改善材料的阻尼性能;③材料阻尼随裂纹间距的增大而减小.      

Al2O3(YAG)/LaPO4层状陶瓷复合材料研究

选择Al2O3(YAG)作为基体片层材料,LaPO4作为界面层材料,采用凝胶注模成型技术制备出基体层材料的坯片,然后在基体层坯片上采用浸渍或喷涂工艺附着界面层材料,最后将坯片叠置于模具中热压烧结.制备的陶瓷复合材料微观结构均匀,基体片层厚度为110-150μm,界面层厚度为10～30μm,实测层厚比为11.重点研究工艺参数及界面层成分对层状陶瓷复合材料室温性能的影响.结果表明,氧化物基层状陶瓷复合材料的抗弯强度比基体材料略有下降,但室温断裂韧性达到了13.52MPa·m1/2,是基体材料断裂韧性的3倍.对比氧化物基层状陶瓷复合材料与基体材料在断裂过程中裂纹扩展路径的差异.     

电子束物理气相沉积热障涂层陶瓷层微裂纹形成机理的研究

采用电子束物理气相沉积方法制备热障涂层，对其在热循环过程中陶瓷层产生的裂纹进行了观察。结果表明，陶瓷层中的裂纹起源于陶瓷层与金属粘结层的界面处，该处存在着不同于界面其他处的氧化物。应力计算结果表明，陶瓷层中产生的微裂纹不仅仅是陶瓷／金属界面间的热应力所致，还与产生的氧化物的种类有着密切的关系。     

颗粒增强复合材料界面开裂力学性能的模拟

基于Ghosh提出的Voronoi单元有限元方法,构造能够反映颗粒增强复合材料基体和夹杂界面产生脱层的新单元,结合网格重划分技术,模拟含任意随机分布夹杂的复合材料界面开裂的力学性能。为了分析夹杂和基体之间脱层对细观结构演化和宏观性能的影响,采用了临界节点移动技术。编制的有限元程序,能够描述界面逐步脱离过程和应力场的变化。计算实例和普通有限元方法进行比较,证明其精度完全符合要求。     

航空可切削塑料拉形模型面开裂分析及其控制

传统飞机蒙皮拉形模在生产过程中容易出现型面开裂的问题,分析了飞机蒙皮拉形模可切削塑料型面开裂的原因,并提出了预防可切削塑料型面开裂的拉形模新结构.     

含二相粒子非线性粘弹性聚合物材料界面脱粘研究

研究了含二相粒子聚合物材料中粒子界面脱粘问题。首先提出了三维应力状态下具有非线性粘性效应的聚合物基体材料的本构关系;其次,对无限大聚合物基体中粒子-基体界面脱粘问题进行了分析,导出了求解界面脱粘临界时间的方程,并且给出了常应变条件下界面脱粘时间表达式;最后通过数值计算,讨论了界面脱粘临界时间的影响因素。计算结果表明:粒子尺度、加载速率、界面粘结能和非线性粘性参数对界面脱粘时间有重要的影响。     

稳态热载荷作用下热障涂层结构界面断裂研究

针对陶瓷层与黏结层构成的双层热障涂层结构存在单边界面裂纹的情况,利用虚拟裂纹闭合技术(VCCT)计算了稳态热载荷作用下结构的能量释放率,根据计算结果研究了单边界面裂纹的扩展行为.给定结构的温度边界条件求解得到稳定温度场,并以此作为结构的热载荷,计算能量释放率时采用随温度变化的材料参数.计算结果显示,在给定条件下,界面裂纹起裂后结构总的能量释放率大于界面断裂韧度,裂纹将进行失稳扩展;在裂纹扩展至接近自由端面时总能量释放率迅速减小并降到界面断裂韧度以下,裂纹不扩展.分析表明,处于高温稳态热载荷条件下的热障涂层系统,不会发生陶瓷层彻底剥落的失效现象.      

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。      

裂纹齿轮动力特性三维有限元模拟

建立了裂纹齿轮结构的三维有限元动力学模型,分析了齿轮轮齿发生裂纹后的齿轮动力特性(固有频率、振型、动态应力等),并对裂纹出现位置和裂纹尺寸等对齿轮动力特性的影响进行了深入探讨和计算机模拟。指出裂纹尺寸和位置对于齿轮的固有频率和振型都有影响,当出现裂纹后固有频率发生下降,振型也发生变化,而裂纹位置对固有频率和振型影响大于裂纹尺寸的影响,当裂纹位于齿根处时齿轮固有频率下降较大,当裂纹位于齿顶处时齿轮固有频率下降较小,当裂纹出现后齿轮体的振型明显不同于无裂纹时的振型,在裂纹附近振动的振幅增大,并且齿轮体的动态应力也发生变化,与无裂纹的齿轮结构动力特性完全不同。      

Hot Corrosion Behavior of Double-ceramic-layer LaTi2 Al9O19/YSZ Thermal Barrier Coatings

LaTi 2 Al 9 O 19 (LTA) exhibits promising potential as a new kind of thermal barrier coating (TBC) material, due to its excellent high-temperature capability and low thermal conductivity. In this paper, LTA/yttria stabilized zirconia (YSZ) TBCs are produced by atmospheric plasma spraying. Hot corrosion behavior and the related failure mechanism of the coating are investigated. Decomposition of LTA does not occur even after 1 458 hot corrosion cycles at 1 373 K, revealing good chemical stability in molten salt of Na 2 SO 4 and NaCl. However, the molten salt infiltrates to the bond coat, causing dissolving of the thermally grown oxide (TGO) in the molten salt and hot corrosion of the bond coat. As a result, cracking of the TBC occurs within the oxide layer. In conclusion, the ceramic materials LTA and YSZ reveal good chemical stability in molten salts of Na 2 SO 4 and NaCl, and the bond coat plays a significant role in providing protection for the component against hot corrosion in the LTA/YSZ TBCs. LTA exhibits very promising potential as a novel TBC material.     

等离子喷涂LaTi2Al9O19热障涂层的微观组织结构及热物理性能

 第一代热障涂层(TBCs)由氧化钇部分稳定的氧化锆(YSZ)陶瓷隔热层和金属粘结层组成,该涂层长期使用温度低于1 200℃。随着先进航空发动机向着高推重比发展,迫切要求发展新一代超高温、高隔热热障涂层材料。LaTi₂Al₉O₁₉(LTA)在1 500℃长期保持相稳定,是一种非常有前景的超高温热障涂层候选材料。本文采用大气等离子喷涂(APS)制备了LTA涂层,研究了喷涂工艺对涂层微观组织结构和热物理性能的影响。结果表明沉积态涂层中含少量的非晶态,在860℃和1 130℃出现晶化峰。等离子喷涂过程中La₂O₃挥发量较多,导致沉积态涂层中La元素与原始粉末相比含量偏低,而其他组分的化学成分随喷涂功率变化不大。LTA涂层的热扩散系数在1 400℃下为0.3~0.4 mm²·s^-1,热导率为1.1~1.6 W·m^-1·K^-1。1 050℃经过20小时热处理后,得到晶化的涂层在晶化温度范围内的热扩散系数和热导率值均增大。随着喷涂功率减小,涂层孔隙率增加,热导率减小。     

热载荷下热障涂层表面裂纹-界面裂纹的相互作用

针对热障涂层在热循环载荷下陶瓷层表面和氧化层/黏结层界面形成裂纹而导致涂层失效的问题,采用扩展有限元和内聚力单元建立陶瓷层表面裂纹与氧化层/黏结层界面裂纹相互作用的有限元模型,得到不同裂纹附近应力分布和开裂程度,分析了这2种裂纹之间的相互影响,结果表明:表面裂纹对界面裂纹影响较大,而界面裂纹对表面裂纹影响较小;氧化层几何参数以及材料参数对2种裂纹演变的影响研究结果表明:氧化层正弦幅值和厚度主要影响界面裂纹,在热载荷下,氧化层越粗糙,界面裂纹扩展速度越快。黏结层弹性模量主要影响界面裂纹扩展程度,而陶瓷层弹性模量主要影响表面裂纹扩展程度,对界面裂纹间接地产生较大影响。     

航空发动机热障涂层材料体系的研究

介绍了热障涂层的结构、陶瓷表层材料和中间粘结层的材料发展趋势。热障涂层的结构已由经典的双层结构向成分、结构连续变化的梯度结构发展,涂层的寿命有明显的提高。制备方法中电子束物理气相沉积技术具有明显优势。热障涂层表层材料的最佳成分是(质量百分数6%～8%)Y2O3部分稳定的ZrO2陶瓷材料。粘结层体系发展的一个重要趋势是能同时保证力学性能和抗氧化性能的低Al含量NiCoCrAlY。     

Effects of Shot Peening Process on Thermal Cycling Lifetime of TBCs Prepared by EB-PVD

Conventional two-layered thermal barrier coatings (TBCs) are prepared by electron beam physical vapor deposition (EB-PVD) with ZrO2-8 wt% Y2O3 (8YSZ) as top coat and CoCrAlY as bond coat on disk-shaped Ni based super-alloy. In this paper, three kinds of shot peening process with different lengths of operating time were adopted for bond coating. As a result, changes took place in its sur- face roughness and the surface micro-hardness. A thermal cycling test at 1 273 K×55 min and another at room temperature for 5 min were performed to study the effects of shot peening process on the thermal cycling lifetime of TBCs. It is found that a moderate shot peening process will be able to prolong the life time. The oxidation dynamic of the as-processed TBCs basically accords with the para- bolic rule, and the oxidation test also attests to the spallation between YSZ and thermal growth oxide (TGO) responsible mainly for the failure of TBCs.