热障涂层的力学特性及热疲劳特性研究

热障涂层的力学特性及热疲劳特性研究

1复合材料的力学性能鉴于航空发动机的高要求，为了保证涂层的安全有效使用，应不断改进涂层材料的工艺，提高涂层材料的性能。然而，这只是工程应用的第一步。为了确保服务的可靠性，有必要在现有技术条件下研究涂层的强度和长度。分析涂层强度与寿命的前提条件是对涂层在给定载荷条件下的应力-应变精确的分析,之后提取适当的强度与寿命控制参数。分析应力-应变需要材料数据,而我国在热障涂层的材料数据方面的积累相对较少。杨氏模量是材料的关键力学性能参数,对于多层材料结构的杨氏模量的测试方法很多,如纳米压痕法、弯曲梁法以及拉伸法。而对于热障涂层薄且脆的陶瓷层来讲,在高温条件下进行测试,这些方法都有弊病和局限性。本研究通过利用悬丝共振的方法测试了高温下我国现有工艺条件制备的等离子热障涂层的杨氏模量。涂层剥落的主要原因是内部裂纹扩展与融合,近几年国内外的相关研究着重于从断裂及损伤的角度分析涂层的失效机理,并取得了有意义的结论。另外还从微观失效机理开展研究,其研究对象针对氧化层TGO,此方向是近期国际研究的热点之一。本研究通过对管状试样热循环试验数据的分析,运用商业Marc有限元方法模拟了实际高温循环下的氧化层形貌,对热障涂层系统进行了温度场分析及应力-应变分析,进而精确地预测了热障涂层的寿命,对热障涂层的高温性能与热疲劳特性进行了研究,具有重要的理论与工程应用价值。2试验与研究2.1不同温度条件下的共振频率试样的基体为1Cr18Ni9Ti不锈钢,试验温度范围为室温~1150℃。运用共振测试原理与材料力学复合梁理论,仅仅需要获得不同温度条件下的共振频率即可获得表层-陶瓷层的杨氏模量。采用悬丝耦合共振法测量热障涂层的杨氏模量,首先制备矩形截面的刚性杆作为载体杆,其几何尺寸在120mm×10mm×1mm。使用METCO公司的7M型空气等离子喷涂系统喷涂试件。用工业丙酮对试件进行表面清理,去除油渍,并经SiC喷砂处理后,对试件表面进行空气等离子喷涂。试验结果见表1。2.2复合材料热疲劳载荷为模拟导向器叶片的薄壁结构,并考虑曲率半径的影响,热疲劳实验采用圆管试样。基体材料为定向结晶高温合金DZ40M。试样表面采用等离子热障涂层,其中粘结层厚度为0.115mm,成分为Ni22Cr10Al1.0Y;陶瓷层厚度为0.251mm,成分为8%Y2O3·ZO2。根据研究的需要,考虑到热疲劳损伤和氧化损伤的同时作用,采用梯形波进行加载,这种加载形式的结果也是为了以后用来验证寿命模型的可靠性。梯形波的加热段设定为2.5min,考虑到某发动机一个典型的工作循环,保温段设定为0.5min,冷却段设定为4.5min。圆管试样热疲劳载荷曲线如图1所示。共对三个试样进行了热疲劳试验,其寿命分别为430次、350次和330次循环。3对死者的分析3.1热能涂层的应力状态分析以试验用圆管试样为例,建立轴对称模型,为更精确地模拟热障涂层的实际表面形态,运用正弦曲线模拟粘结层与陶瓷层之间的表面形态,有限元模型的局部放大如图2所示,有限元模型共有2142个节点,2020个四节点轴对称单元。有限元计算的陶瓷层材料数据利用本文测得的杨氏模量,鉴于我国目前的材料性能数据比较少,模型中所需的其它力学及有关热性能参数(包括泊松比、屈服应力、热传导率、热膨胀系数等),主要参考国外文献的研究成果进行模拟试样的弹塑性分析。与实际试样相比,模型的宽度较小,在此情况下两侧边界对整个应力场影响很大,为避免边界效应,需要将模型一侧的节点沿着X方向(轴向)位移固定,另外一侧通过采用Marc的多点自由约束技术,保证边界节点轴向位移协调变形。在热障涂层的热疲劳研究中,人们最关心的是冷却阶段,因为热不匹配的影响主要体现在此阶段产生的残余应力。经过有限元计算,在波峰、中点以及波谷处的轴向应力与径向应力的分布有明显不同。薄膜剥落失效的应力状态:残余轴向应力为压应力,径向应力为拉应力。而对于热障涂层系统的分层,也同样应该是拉应力作用在垂直于粘结层/陶瓷层界面和粘结层或者氧化层,压应力作用在涂层的轴向方向。在波峰处的这种应力状态是氧化层失稳——屈曲和分层的典型应力状态,可以断定在粘结层的波峰处是热障涂层的危险部位(图3)。图中的σr和σz分别是模拟试样沿壁厚的径向应力和轴向应力。3.2涂层寿命预测模型根据国外的热障涂层的研究成果,本研究采用如下的疲劳寿命模型:N=[(Δεf0/Δε)(1−δ/δc)c+(δ/δc)c]b(1)Ν=[(Δεf0/Δε)(1-δ/δc)c+(δ/δc)c]b(1)模型中的b=7.64,Δεf0=0.016,c=1.0,经过计算,氧化厚度δc=23.28μm。有学者认为热障涂层的危险点处于TBCs系统的粘结层/陶瓷层界面之间,如果假设粘结层的表面形貌为正弦曲线,则也就是认为危险点在粘结正弦曲线的波峰位置处,这与本研究的结果是一致的。另外,有些学者认为轴向应变范围是重要的疲劳控制参量,即高温热疲劳模型中应变范围参数。本研究根据对涂层失效的破坏分析,认为轴向应变是一个主要因素。而径向应变的作用,从受力状态分析可以看出,径向应变的存在有促使分层和屈曲发生的趋势。综上所述,热障涂层的寿命模型式的参数均已确定,因此可以计算得到热障涂层的寿命。式(1)适用工况为单一循环载荷,对于多载荷条件下的寿命预测可以引入累积损伤的概念。根据Miner线性累积损伤模型,假设在某种载荷作用下一次循环造成的损伤为Dm=1/Nm,则多载荷工况下的损伤总计为:D=∑m=1,knm⋅Dm=∑m=1,knm/Nm(2)D=∑m=1,knm⋅Dm=∑m=1,knm/Νm(2)式中,Nm代表某个载荷工况下的循环寿命,nm为该工况下的循环次数,当累积损伤系数D≥1时,表示涂层失效。根据以上的理论分析可以计算出寿命。试验与预测寿命分别见表2。本文所研究的针对氧化层的应力-应变分析方案及对热疲劳寿命模型的修正是比较合理的。由于验证的数据较少,因此预测模型的可靠性还有待进一步检验。4热疲劳性能试验研究,提出了在相应的温度载荷条件下的热疲劳试验研究以确定热疲劳1)室温~1150℃热障涂层表层-陶瓷层的杨氏模量为62.5~18.6GPa;2)根据带热障涂层涡轮叶片的几何和载荷特点,设计了带涂层圆管模拟试样,开展了带涂层圆管模拟试样的热疲劳试验研究,获得了相应