圓柱體結(jié)構(gòu)熱障涂層三維應(yīng)力場預(yù)測及界面屈曲破壞分析.pdf

1、熱障涂層(Thermal barrier coatings,簡稱TBCs)材料可有效保護熱端部件,使其免受高溫氧化、腐蝕、磨損,已應(yīng)用于航空航天、大型火力發(fā)電等領(lǐng)域。然而,由于受材料參數(shù)不匹配、高溫蠕變、彈塑性變形等因素的影響,在高溫?zé)嵫h(huán)使用中系統(tǒng)內(nèi)部會產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力并不斷累積增大。反復(fù)交替變化的殘余應(yīng)力通常導(dǎo)致涂層和基底發(fā)生分層、屈曲和剝落。屈曲破壞已成為熱障涂層的主要失效模式之一。因此,本文首先估算了在制備和熱循環(huán)使用過程中圓

2、柱體結(jié)構(gòu)熱障涂層系統(tǒng)應(yīng)力場的演變,為研究曲面結(jié)構(gòu)熱障涂層熱力屈曲破壞提供應(yīng)力分析基礎(chǔ);其次通過理論和實驗相結(jié)合的方法,研究了在常溫和高溫環(huán)境下熱障涂層界面壓縮破壞的特性,重點討論了熱力屈曲破壞特征及破壞機理。本論文的主要研究內(nèi)容如下:
　　第一,分別假設(shè)陶瓷層位于基底的凸面和凹面兩種情況,計算了在制備階段圓柱體結(jié)構(gòu)熱障涂層的三維初始應(yīng)力場分布,并重點分析了沉積溫度、基底曲率和陶瓷層厚度三個因素對殘余應(yīng)力的影響。結(jié)果表明:當陶瓷層位

3、于基底凸面時,各層徑向應(yīng)力為拉應(yīng)力;當陶瓷層位于基底凹面時,各層徑向應(yīng)力為壓應(yīng)力。但陶瓷層位置對環(huán)向和軸向應(yīng)力影響不大。隨著沉積溫度的增加,涂層體系三個方向的應(yīng)力都明顯增大,其中氧化層內(nèi)的應(yīng)力變化最為明顯。隨著基底曲率半徑的增大,各層環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力的影響明顯強于相應(yīng)的徑向應(yīng)力。
　　第二,在綜合考慮陶瓷層蠕變、粘結(jié)層和氧化層塑性變形、材料參數(shù)隨溫度變化的條件下,計算了在熱循環(huán)過程中圓柱體結(jié)構(gòu)熱障涂層三維應(yīng)力場分布,著重分析了在

4、加熱、保溫和冷卻階段陶瓷層和氧化層內(nèi)應(yīng)力的演變。同時還討論了熱循環(huán)次數(shù)、熱循環(huán)溫度、基底曲率半徑對陶瓷層和氧化層內(nèi)應(yīng)力場的影響。結(jié)果表明:隨著熱循環(huán)次數(shù)增加,陶瓷層的應(yīng)力均呈指數(shù)型增大趨勢,而氧化層內(nèi)的軸向和環(huán)向應(yīng)力出現(xiàn)減小趨勢,但氧化層內(nèi)的應(yīng)力明顯高于其它三層,是導(dǎo)致涂層破壞的主要原因之一。隨著熱循環(huán)溫度的升高,涂層體系的應(yīng)力都明顯增大。
　　第三,首先建立了含界面缺陷的圓柱體結(jié)構(gòu)熱障涂層界面屈曲破壞的簡化力學(xué)模型,得到了殼體結(jié)