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。      

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.      

环境氧化物对EB-PVD热障涂层残余应力的影响

通过建立EB-PVD涂层的柱状晶模型,系统地研究了CMAS沉积和渗透对残余应力的影响。结果表明:CMAS的沉积和渗透产生了很大的面内、面外拉应力,导致垂直、水平裂纹的萌生;随着裂纹扩展,最终涂层发生剥落和分层失效。该失效主要发生在TC层表面下方、CMAS渗透交界处、陶瓷/黏结(TC/BC)界面附近。      

界面形貌对热障涂层残余应力影响的三维有限元分析

采用有限元方法,建立了考虑界面形貌的热障涂层系统三维有限元模型,通过计算从高温冷却到室温时界面处的残余应力的变化,研究了界面形貌对热障涂层系统残余应力的影响。结果表明,氧化层（TGO）厚度不仅会影响残余应力大小,还会影响其应力状态,氧化层越厚,其残余应力水平越高;界面幅值增大会使黏结层（BC）–TGO界面残余应力增大,但其对陶瓷层（TC）–TGO界面处残余应力的影响较为复杂;增大界面波长会在一定程度上减小残余应力水平;三维混合粗糙度对残余应力的影响较小。因此,氧化层厚度、界面幅值和波长会较大程度上影响热障涂层的残余应力,进而影响热障涂层系统的稳定性,且氧化层厚度对涂层失效位置具有决定性意义。     

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。      

基于近场动力学理论的热障涂层热冲击开裂行为

为研究热障涂层热冲击后损伤行为,设计并完成了陶瓷基热障涂层(TBC)的热冲击试验,研究了热障涂层损伤规律,分析了热冲击温度对损伤的影响。基于近场动力学(PD)理论,推导了热障涂层的热力耦合计算列式,编程计算了热障涂层的温度响应和裂纹扩展过程,分析了冲击温度对热障涂层损伤的影响。结果表明：纵向裂纹从陶瓷层表面萌生,沿厚度方向扩展到陶瓷层/粘结层界面附近,部分裂纹出现分叉和转向的现象,形成了与界面平行的横向裂纹;随热冲击温度提高,涂层中纵向裂纹萌生时间提前且数量增加,纵向裂纹数量在0.50 s时达到峰值。近场动力学方法可较好地捕捉热障涂层内部纵向裂纹和横向裂纹的萌生与扩展现象,且裂纹位置、裂纹形式及不同参数对涂层损伤的影响规律与试验符合较好。     

盐雾腐蚀对热障涂层高温循环氧化性能的影响

利用电子束物理气相沉积法在Ni基高温合金表面制备了(ZrO₂＋MCrAlY)双层结构热障涂层。研究了常温盐雾腐蚀对其循环氧化行为的影响。试验结果表明涂层经过常温盐雾腐蚀后,陶瓷层的裂纹发生扩展,氧化锆晶体挤压、变形,同时由于常温盐雾环境的作用导致涂层在高温氧化过程中粘结层氧化严重,生成的热生长氧化层产生较大的体积膨胀效应,导致应力集中,降低了涂层的高温循环氧化性能,缩短了涂层的寿命。     

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。     

300M钢在门坎值附近疲劳裂纹扩展行为的研究

在实验室空气环境中研究了300M钢等温和油淬状态,五种载荷比下裂纹扩展速率为10~(-7)～10(-3)mm/Cycle的疲劳裂纹扩展行为。着重分析了载荷比和显微结构对门坎值附近裂纹扩展行为的影响。基于在门坎值附近断口表面上所观察到的氧化喾物和沿晶断裂机制,用裂纹闭合和环境效应合理地解释了300M钢在门坎值附近的裂纹扩展特性。     

三维广布裂纹疲劳扩展分析

 飞机结构表面由于腐蚀、疲劳等原因存在三维广布裂纹,相邻裂纹在疲劳载荷作用下相互影响、相互促进,从而加速了结构破坏。为了探讨并求解三维广布裂纹结构的疲劳寿命,选取表面有两个半椭圆形表面裂纹的有限厚矩形板为计算模型,采用参数化有限元方法,求解裂纹前沿的应力强度因子、裂纹扩展方向和裂纹扩展增量,建立并应用应力强度因子变化历程,采用循环接循环损伤累积方法,对结构在疲劳载荷作用下的寿命进行了预测。预测结果为复杂环境中三维广布裂纹飞机结构的寿命评估提供了参考。     

Research on the Plane Multiple Cracks Stress Intensity Factors Based on Stochastic Finite Element Method

Taylor stochastic finite element method (SFEM) is applied to analyze the uncertainty of plane multiple cracks stress intensity factors (SIFs) considering the uncertainties of material properties, crack length, and load. The stochastic finite element model of plane multiple cracks are presented. In this model, crack tips are meshed with six-node triangular quarter-point elements; and other area is meshed with six-node triangular elements. The partial derivatives of displacement and stiffness matrix with respect to all the random variables obtained by Taylor SFEM are derived. Meanwhile, the mean and variance expressions of SIF under uncertain factors are also derived. Parallel double-crack illustrative example of using the proposed method is given. The calculation results indicate that the uncertainty of SIF is influenced by the distance of the cracks, the smaller the distance of cracks is, the greater the SIF uncertainty is, and the uncertainties of material elastic modulus, load and crack length markedly affect the uncertainty of SIF; and the Poisson ratio of material has little influence. Among the variables, the elastic modulus has the greatest effect on SIF uncertainty. The next is external load. The crack length has lower effect on SIF uncertainty than both the elastic modulus and external load.     

在高温蠕变环境中的热障涂层失效行为

对电子束物理气相沉积(EB-PVD)制备的由NiCoCrAlY粘结层和YSZ(YttriaStabilizedZirconia)陶瓷层组成的双层结构热障涂层,采用标准高温蠕变试验方法,研究了在高温、恒定外载荷作用下热障涂层中各层的形貌变化及裂纹的萌生、扩展,并探讨了涂层的失效过程和机理。垂直于试样轴向的断面观察表明,涂层在外力作用下氧化200h后层间裂纹非常明显,但几乎不发生在热氧化层(TGO)内,而是发生在陶瓷层与TGO层、TGO与粘结层之间,尤其发生在TGO与陶瓷柱状晶之间的等轴晶处。这种层间裂纹是在拉伸应力作用下,合金基体和粘结层发生径向收缩,而陶瓷层和TGO层的应变容限无法满足径向收缩而产生的。     

药柱裂纹对固体火箭发动机工作过程的影响

针对某固体火箭发动机点火启动时所受的燃气载荷,用线性粘弹性有限元法分析了无缺陷药柱和含有裂纹药柱的应力—应变场,并探讨了单裂纹部位、裂纹尺寸对发动机工作安全性的影响以及多裂纹条件下,裂纹尺寸和相互位置对裂纹扩展的影响。所得到的结论对制定固体发动机失效判据有一定的参考价值。     

双层氧化物生长下热障涂层的界面失效与应力演化

在长时高温服役环境下,热障涂层（TBCs）会在内部的陶瓷层（TC）和粘结层（BC）之间生成由Al2O3层和混合性氧化物层（MO）组成的双层热生长氧化物（TGO）。其中,后期生成的MO 由于其疏松多孔、脆性大等特点,极易造成涂层内微裂纹的形成和扩展,导致涂层的过早剥落。因此,依据双层TGO 生长的扩散—氧化模型,在考虑材料非线性变形行为的基础上,运用生死单元法模拟TBCs 内双层TGO 异向生长下涂层界面的失效与应力演化过程。结果表明：MO 的生长会大幅度提升涂层界面的拉伸应力水平,易导致MO/TC 界面在高温阶段波峰区域和冷却阶段斜坡中心区域发生破坏及失效;MO/TC 界面的失效会引起BC 层波峰处更高的拉伸应力,促进冷却阶段Al2O3/BC 界面从波峰向波谷处的破坏;MO/TC 界面失效后,hAl2 O3 /hMO 的增加会加速Al2O3/BC 界面的破坏。     

4种典型航空钛合金材料高温裂纹扩展性能对比试验

试验测定了4种典型航空钛合金材料（即TC18、TC21、TC4 DT、Ti 6Al 4V/ELI）在两种温度（25℃和250℃）下裂纹扩展性能,在试验数据的基础上,进行裂纹扩展性能对比分析,并对试样断口进行扫描电镜(SEM)分析,研究了高温和载荷联合作用对裂纹扩展的影响机理,结果表明:不同温度下,不同钛合金材料裂纹扩展速率之间存在很大的差异性;与室温断口相比,高温断口表面呈现浅黄色,并伴有大量二次裂纹;钛合金的裂纹扩展性能是受温度和载荷的联合作用影响,裂纹闭合和氧化作用共同决定了其扩展历程。      

复合材料ENF试件裂纹扩展理论分析

对复合材料端部缺口弯曲（ENF）试件裂纹扩展过程进行了理论分析,研究了界面参数变化对载荷-位移曲线的影响。首先在梁微段分析的基础上,通过双线性Cohesive本构模型模拟了界面损伤。本文模型中考虑了轴力的影响,根据界面损伤程度对模型进行了分段,并分别获得了各段通解。以裂纹长度以及黏聚区范围为变量分析了ENF试件裂纹扩展过程,求解获得了载荷-位移曲线。通过与已有理论模型结果对比,验证了本文理论分析的正确性,且本文理论考虑了弹性段后非线性的存在。分析了界面参数与黏聚区长度的关系,为界面参数的选取提供了一定的依据。     

复合材料 ENF 试件裂纹扩展理论分析简

 对复合材料端部缺口弯曲（ENF）试件裂纹扩展过程进行了理论分析,研究了界面参数变化对载荷-位移曲线的影响。首先在梁微段分析的基础上,通过双线性Cohesive本构模型模拟了界面损伤。本文模型中考虑了轴力的影响,根据界面损伤程度对模型进行了分段,并分别获得了各段通解。以裂纹长度以及黏聚区范围为变量分析了ENF试件裂纹扩展过程,求解获得了载荷-位移曲线。通过与已有理论模型结果对比,验证了本文理论分析的正确性,且本文理论考虑了弹性段后非线性的存在。分析了界面参数与黏聚区长度的关系,为界面参数的选取提供了一定的依据。     

航空发动机涡轮盘裂纹扩展分析

在计算分析含有角裂纹等厚空心盘应力强度因子基础上,针对某涡轮盘螺栓孔周向应力最大处建立孔边角裂纹的有限元模型;利用J积分法,计算得到不同尺寸裂纹前沿的应力强度因子;采用2自由度法描述扩展过程中裂纹前沿形状的发展,对角裂纹引起的轮盘裂纹扩展过程进行了有限元模拟;最后得到涡轮盘的裂纹扩展寿命。