热、力耦合作用下热障涂层的失效机制

针对热障涂层服役环境中热物理化学环境与机械载荷耦合作用的特点,采用交流阻抗谱法与声发射法对热障涂层在恒定外载荷(高温蠕变)以及交变载荷(高温低周疲劳)作用下的失效过程进行了考察分析,研究发现,交流阻抗谱中低频段阻抗值的变化可以有效地反映热障涂层热氧化层内横向裂纹的萌生及扩展;有无外机械载荷作用下热障涂层的热循环失效的模式截然不同,在高温蠕变条件下,热障涂层的裂纹并不产生在热氧化层内,而是产生在热氧化层与柱状晶之间的等轴晶区;而在高温低周疲劳条件下裂纹是在粘结层与高温合金基体的扩散层处.      

热障涂层热应力影响因素的正交有限元分析

利用有限元分析方法,采用Walker粘塑性材料本构模型计算了喷涂于圆管型试件上的热障涂层在室温和高温环境下的热应力.使用试验中常用的正交设计分析方法,分析了热障涂层不同的结构和喷涂工艺中的4种因素在取不同的水平条件时对热障涂层热应力的影响.分析结果表明:对于所考察的危险点,4种因素对热障涂层中热应力的产生都有显著影响,其中以氧化层的厚度对其影响最为严重;4种因素随其各自水平的变化对涂层内部应力变化的影响规律不同.     

热障涂层红外热无损检测的建模和有限元分析

在柱坐标系下以轴对称模型描述热障涂层结构TNDT(Thermal Non-Destructive Testing)的瞬态热传导,建立相应的物理模型.用有限元分析软件ANSYS计算热障涂层结构受热脉冲激励后的温度场,研究TNDT可检信息参数(如最大温差和最大对比度)与脱粘缺陷半径、深度、涂层厚度的关系.结果表明,在涂层厚度一定时,最大温差和最大对比度与脱粘缺陷半径成非线性关系,它们随着缺陷半径的增大而增加,且存在上限饱和值;在缺陷半径一定时,最大温差和最大对比度与涂层厚度成非线性关系,且随着涂层厚度的增加而减小.这些研究结果为热障涂层内部脱粘的红外热无损检测及表征提供了基本理论依据.     

铣削过程中残余应力仿真分析

在铣削加工零件时,零件各部分的残余应力分布不均匀,会使工件发生变形,影响工件的形状和尺寸精度.采用有限元分析方法,利用有限元增量理论建立了加工材料的弹塑性本构关系.针对立铣刀的铣削加工,建立了二维金属铣削仿真模型,分析中采用网格自适应准则,通过对典型钢件的加工模拟,得到了加工后已加工表面的残余应力的分布情况和整个加工过程中工件的受力情况,对于工程中的实际应用具有重要的意义.     

复合材料层合残余应力实验研究

取单向板90°试样用DMA法测出的玻璃化温度T_(?)为应力释放温度,用应变片包埋法测定了玻纤/648环氧复合材料单向试样与对称正交层板的热应变,用经典层板理论处理实验结果,实验值与理论值吻合;结果还表明,一般意义上的复合材料内的层合残余应力与制造过程中复合材料内的残余应力应作区别。     

Cr对ZrO2/Ni热障涂层界面结合的影响

热障涂层广泛用于航空、航天领域,涂层与基体的界面结合强弱是决定涂层寿命的一个关键因素.为了提高其使用寿命,必须要求涂层与基体的界面有较好的结合.利用密度泛函理论框架下的第一性原理离散变分(DV)方法研究了ZrO₂Ni热障涂层界面的能量学和电子结构,讨论了替位型掺杂的Cr在ZrO₂Ni热障涂层界面中的作用.结果表明:Cr容易偏聚于界面处(偏聚能达6.03eV),Cr使得体系结合能增加,体系更稳定,有利于界面的结合;界面处原子电荷占据数和电荷密度计算表明:加入Cr后跨界面方向的电荷密度增加,同时也使得界面内电荷密度增加,这有利于跨界面方向的以及沿界面方向的成键,从而加强了涂层与基体材料的结合.     

环件径向冷轧塑性变形及残余应力分布仿真

为了消除环件冷轧过程中产生的残余应力,采用弹塑性大变形有限元法对环件径向冷轧过程进行仿真.研究揭示了矩形截面铝合金环件径向冷轧工艺中总压下量不变时,芯辊进给速度对环件塑性变形大小及分布规律的影响.结果表明:进给速度相对较小时,环件鱼尾形状系数较大,随着进给速度进一步增大,鱼尾形状系数反而减小.根据塑性变形的不一致性产生残余应力的原理,进一步分析由此塑性变形规律形成的残余应力分布情况,从而为消除冷轧后残余应力提供理论依据.      

基于振动时效的异质构件残余应力均匀化方法

针对异质构件在装配过程中不可避免地产生非均匀化残余应力,且残余应力随着时间变化而不断减小,从而产生应力松弛的非均匀化,将影响构件的长期稳定性这一现象,同时针对该异质构件不适合用热时效方法处理的问题,利用有限元仿真方法首先仿真异质构件残余应力的分布,然后研究异质构件残余应力在自然时效下的变化规律,最后通过模态分析得到激振频率、谐响应分析得到激振幅值,通过瞬态动力仿真分析研究异质构件残余应力在振动时效下的变化规律.仿真结果表明:在自然时效下,残余应力需要经过1 a左右的时间才能基本达到稳定.在振动时效下,初始的几个周期就可以使得残余应力达到稳定.因此,通过结果对比分析认为,基于塑性变形理论的振动时效是一种快速使得残余应力均匀化的有效方法.     

复合材料固化应力模型

本文建立了描述复合材料固化应力史的综合模型。在本模型中考虑了化学收缩对残余应力史的贡献,并考虑了以玻璃化转变区为应力释放区的应力松弛过程。整个模型由四部分组成:描述温度场的模型、物理力学参数的模型、描述细观纵向残余应力史的模型、描述层合固化应力史的模型。     

预拉伸板轧制-拉伸残余应力的计算机仿真

为消除铝板冷轧过程中产生的残余应力,采用弹塑性大变形有限元法对变形区内残余应力的分布进行数值模拟.通过分析不同轧制工况对残余应力分布的影响,得到不同压缩量对轧制残余应力的影响; 并对不同轧制工况后的板材进行参数拉伸,得到拉伸力大小、拉伸变形量大小对残余应力消除效果的影响值.模拟结果表明适当的拉伸(2%左右)可以均匀细化、部分消除残余应力,减小残余应力对后续加工的影响.      

等离子涂层典型界面损伤与破坏的数值模拟

基于界面损伤力学思想,提出了三结点界面单元的概念,和传统界面单元相比,具有能够表征任意形状界面法线方向的优点,将改进的单元通过ABAQUS的用户子程序UEL与有限元软件进行了结合.考虑等离子涂层界面粗糙度的影响,模拟了余弦形界面在热循环载荷下的损伤以及在拉伸载荷下的破坏过程.计算结果表明,界面单元结点间位移出现不连续现象,体现了裂纹的逐渐张开过程,界面损伤随热循环次数的增加而增加,其中第一个循环造成的损伤最大,波峰处是界面断裂的危险位置,法向分离起主导作用;等离子涂层粗糙界面承受法向拉伸载荷的能力较平直界面显著增加.采用改进的界面单元模拟异质材料复杂形状界面的损伤与破坏是可行的,结果是合理的.      

电子设备热分析软件应用研究

应用热分析技术,能在产品的设计阶段获得其温度分布,从而优化设计,提高产品可靠性.介绍了现在流行的电子设备热分析软件,阐述了电子设备热分析软件在应用中面临的一些问题,并结合一简单实例,展示了电子设备热分析的全过程,对热分析软件应用中的部分难题提出了解决方案.结果表明:妥善处理好主要问题,则能够达到较高的热分析精度,满足工程需求.      

喷涂功率对纳米热障涂层组织及性能的影响

采用扫描电子显微镜(SEM,Scanning Electron Microscopy)、X射线衍射(XRD, X-Ray Diffraction)等方法研究了大气等离子喷涂功率对纳米Y₂O₃部分稳定的ZrO₂ (YSZ,Yttria Stabilized Zirconia)热障涂层组织结构及热震性能的影响.结果表明,不同功率下制备的陶瓷层包含熔融相和未熔相,未熔相中存有纳米晶粒,相组成为四方相ZrO₂.随着功率的增加,涂层的纳米区域逐渐减少,孔隙率逐渐降低,热震寿命先增加后减少.涂层失效位置位于靠近TGO(Thermally Grown Oxide)处的陶瓷层中.     

用于热控涂层性能原位测试的辐射计设计

针对空间环境中热控涂层性能退化的问题,提出一种模拟空间环境中利用测热法实现热控涂层太阳吸收率原位测试的辐射计设计方案.结合模拟空间环境的测试要求,进行辐射计的原理设计与理论研究;对辐射计进行结构热分析,建立辐射计测试过程中各项换热的计算式,从而得到辐射计的瞬态计算模型.恒温测试环境下利用辐射计对SR107热控涂层进行了测试.实验结果表明:辐射计测试的SR107热控涂层太阳吸收率值与该涂层的标定值之间的相对误差在2%以内,测试的不确定度为6.3%,实验结果验证了该测试方法的有效性.