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《大连理工大学》 2012年
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ZrO_2热障涂层残余应力有限元模拟

董丽  
【摘要】:热障涂层(Thermal barrier coatings)因为具有良好的抗氧化性能和很低的热传导率,逐渐被应用于航空航天,化工和发电等主要领域。热障涂层在服役过程中主要为高温部件提供有效的热防护和热绝缘,从而可以使基体在高温下正常运行。典型的热障涂层主要由四个部分组成,分别是陶瓷层,粘结层,热生长氧化层和高温合金基体。热障涂层在服役过程中陶瓷层过早的脱落是至今人们仍旧广泛关注的问题。工作过程中,在热障涂层中会产生残余应力,这正是导致涂层失效的主要原因。为了研究涂层失效的机理,对残余应力的研究显得十分重要。在电子束物理气相沉积制备的热障涂层中,涂层主要是以柱状晶结构的形式存在,并且在柱状晶之间存在着许多空隙,这些空隙可以使外界氧气进入陶瓷层内部,使得粘结层被氧化从而导致热障涂层过早失效。因此要提高涂层性能就要隔绝外界氧气的进入,而近年来发展起来的强流脉冲电子束表面改性技术可以实现陶瓷层的表面封装,从而达到隔绝外界氧气的目的。 本文利用有限元软件ANSYS11.0建立了两种有限元模型并考虑了材料的热物性参数,对ZrO2/NiCoCrAlY热障涂层在热循环下的残余应力进行了数值模拟。同时,对强流脉冲电子束辐照热障涂层陶瓷涂层的热应力进行了数值模拟,从理论上对电子束处理热障涂层的改性机理进行研究,对处理工艺起指导作用。主要研究结果如下: 1、在热循环条件下,热障涂层残余应力有限元模拟的结果表明:残余应力主要分布在陶瓷层与粘结层的界面处。界面是曲面的残余应力要比平面的残余应力大,并且在曲面的凹槽处有明显的残余应力集中。电子束物理气相沉积制备的热障涂层残余应力要比等离子体喷涂制备的小,使用寿命较长。同时热生长氧化层对残余应力的大小和分布都有着重要的影响。当有热生长氧化层出现时,应力数值有明显增加。 2、对于强流脉冲电子束辐照陶瓷层热应力有限元模拟,在辐照过程中,样品表面存在巨大的压应力,这是导致样品发生形变的主要原因。在样品次表层,径向拉应力可以导致样品微裂纹的产生,而边缘处较大的剪切应力和轴向应力可导致样品表层在辐照过程中沿边缘脱落下来。能量密度在5-8J/cm2的电子束可以实现对陶瓷层很好的封装,隔绝了氧气的进入,提高了热障涂层的抗氧化性能。由低能量的电子束引起的热应力虽然能够在样品表面产生裂纹,但微小裂纹不影响陶瓷层的封装,随着能量密度的增加,巨大裂痕会破坏样品,达不到封装的目的。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TG174.4

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