界面形貌对热障涂层残余应力影响的研究

摘 要：以等离子喷涂热障涂层为研究对象（陶瓷层为ZrO2，结合层为NiCrAlY），建立热障涂层的模拟结构，利用ABAQUSE对所建立的模型进行残余应力的分析，得出陶瓷层和结合层四种二维界面形貌对热障涂层的残余应力（垂直于界面方向的拉应力）的分布的影响。结果表明：宏觀上，界面形貌为平面的涂层的残余应力要小于界面形貌为曲面的涂层；微观上，界面形貌为幅值相同的正弦波的残余应力会随着波长的减少而增加；微观上，界面形貌为波长相同的矩形波的残余应力的会随着高度的增加而增加，但是根据研究结果表明这种增长程度并不明显，也就是说对应力的分布影响不显著。

关键词：ABAQUS；热障涂层；残余应力；界面形貌

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.16.174

0 前言

热障涂层（TBS）—在空气冷却的高武合金叶片基体也高温燃气之间提供一层隔热和抗氧化的屏障。可大大降低高温部件的表面温度，使现代航空燃气涡轮发动机在高于金属合金熔点温度的燃气中工作成为可能，从而提高发动机的效率和性能，使得使用寿命的到很大提高。

随着现代材料科学的进步和航空航天技术的高科技的迅猛发展，如今热障涂层的种类非常多，且共同的作用是保护在高温工作的工程材料不受腐蚀、氧化、磨损和为这些工程材料提供润滑和绝热的防护[1]。

1 热障涂层结构与失效机理

1.1 涂层的基本结构

陶瓷层热障涂层是把陶瓷材料沉积在涡轮发动机叶片的表面，从而提高了发动机的耐高温和抗腐蚀性能延长了使用的寿命并提高了发动机的效率。涂层主要有隔热陶瓷层、结合层和基体三部分组成[2]。

1.2 热障涂层失效机理

热障涂层失效剥落是热障涂层在实际工程领域应用的巨大障碍[3]。热障涂层剥落的主要原因是涂层制备过程产生的残余应力和热循环过程中应力的产生。这一应力包括四个方面：金属结合层氧化物的热生长应力、相变应力、温度梯度分布引起的而盈利、热膨胀不匹配硬启动热应力。

2 分析模型的建立

2.1 模型描述

建立的模型为陶瓷层与结合层的结合体。其中陶瓷层的厚度为250um，结合层的厚度为200um。

第一、建立研究宏观形貌为平面和曲面的模型，分析宏观形貌对热障涂层残余应力的影响，故建立一个界面形貌为平面的模型。

第二、建立研究微观形貌为正弦波的模型，分析微观形貌（此处指曲率）对热障涂层残余应力的影响，故建立三个幅值（幅值为30um）相同但波长不同的是个模型。三个模型波长分别为200 um、400 um。

2.2 载荷加载

初始条件为涂层的温度为293K（即室温25℃），假设此状态下涂层的应力状态为零状态。对边界条件设定，对模型的底边的所有自由度进行限制，保证模型的底边在载荷加载时不能移动。对温度场的加载如下图。

2.3 模型建立

为了能在ABAQUS的软件下研究本课题，我们必须在ABAQUS的软件下建立我们研究的模型。我们可以按照以下的步骤建立模型：

通过以上步骤，我们可以建立以下的两种模型，如图1至图2所示。

3 软件仿真结果分析

3.1 平面界貌与曲面界貌的研究

提交分析任务后可以得出正弦波的彩色云纹图。形貌为平面时，在降温的过程中其垂直于界面的拉应力较小且沿界面没有突变。界面形貌为曲面时，在降温的过程中其垂直于界面的拉应力较大且沿界面有突变。故平面比曲面好。

3.2 曲率影响的研究（幅值为定值）

提交分析任务后可以得出正弦波的彩色云纹图，通过对比后，我们可以得出这样的结论：界面形貌为幅值相同但波长不同的正弦波时。我们可以发现在波长为200um模型的云纹图的色彩分布很集中，且应力明显大于所得应力值。

由此我们可以得出以下的结论：界面形貌为幅值相同波长不同的正弦波， 得出在幅值相同的情况下， 陶瓷层中垂直于界面的拉应力的最大值随着波长的增大而减小，是波长的缩短（幅值不变）都使形貌的曲率增加， 因此得出陶瓷层中垂直于界面的的拉应力的最大值随着曲率的增加而增加。

4 总结

界面形貌为平面时，在降温的过程中其垂直于界面的拉应力较小且沿界面没有突变。界面形貌为曲面时，在降温的过程中其垂直于界面的拉应力较大且沿界面有突变。故平面比曲面好。

界面形貌为幅值相同波长不同的正弦波， 得出在幅值相同的情况下， 陶瓷层中垂直于界面的拉应力的最大值随着波长的增大而减小，是波长的缩短（幅值不变）都使形貌的曲率增加， 因此得出陶瓷层中垂直于界面的的拉应力的最大值随着曲率的增加而增加。

涂层的界面形貌为幅值相同波长不同的正弦波相比较涂层界面形貌为高度不同的矩形波，涂层的残余应力的分布更加的均匀，没有出现较大的波动。这使得涂层在服役过程中应力集中的现象不会很明显，可以使涂层的工作寿命的到很大的提高。

参考文献：

[1]胡传顺，王福会，吴维.热障涂层研究进展[J].腐蚀科学与防护技术，2000（05），第12卷第3期.

[2]徐惠彬，宫声凯，刘福顺等.航空制造工程[M]，1995.11.23

[3]于海涛等.热障涂层研究现状及其制备技术[J].稀土，2010.

作者简介：程瑞鹏（1990-），男，陕西咸阳人，助教，研究方向：机械设计与制造、高等职业教育。