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《湘潭大学》 2011年
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曲面结构的热障涂层系统残余应力有限元模拟分析

蒋俊平  
【摘要】:热障涂层技术能有效降低高温部件的工作温度,使其免受高温腐蚀和高温氧化,使现代航空燃气涡轮发动机内高温合金部件在高于其熔点温度的服役环境中工作成为可能,进而提高了航空发动机燃气温度和热效率,已成为许多国家航空装备制造业发展的重要材料。在实际应用中,由于各层材料参数不匹配、高温氧化、高温蠕变和塑性变形、高温烧结等因素的共同作用,导致热障涂层系统内的残余应力和裂纹越来越大,最终导致陶瓷涂层与基底发生脱层和剥离破坏,严重制约了热障涂层的服役寿命和可靠性。因此如何有效地预测热障涂层系统的应力场演变及优化生产工艺是有效预测和延长其工作寿命的重要基础和保证。而对于带热障涂层的具有不规则几何曲面的涡轮叶片界面失效问题,难以建立有效的解析解来对其应力场进行计算分析,有限元方法就成为了一种重要的有效研究手段。因此本论文的研究重点是利用有限元方法对曲面结构的热障涂层系统应力场进行模拟分析,为合理预测复杂结构热障涂层系统的服役寿命和可靠性提供重要的基础。其主要研究内容如下: (1)本论文首先用有限元方法分析了制备过程中圆柱曲面结构热障涂层系统的应力场,并用一个解析解进行对比验证。重点讨论了分别位于凹面、凸面、同时存在于凹、凸面的陶瓷涂层对系统残余应力分布的影响。在每种情况下,本论文还分析了金属基底曲率半径、沉积温度和陶瓷层厚度对系统残余应力的影响。研究结果表明:喷涂的涂层位置对系统的应力场分布有非常重要的影响;径向应力随基底曲率半径的增大而减小,而基底曲率对系统的环向应力影响不大;热障涂层系统各层的径向和环向残余应力均随沉积温度的增大而增大;热障涂层系统各层的径向应力随陶瓷层厚度的增加而增大,而环向应力随陶瓷层厚度的增加而减小。 (2)本论文用有限元方法分析了热循环条件下三维圆柱壳体热障涂层系统应力场。考虑了金属基底曲率半径、热循环温度、陶瓷层厚度、陶瓷层高温蠕变和粘结层、氧化层的塑性对残余应力的影响。通过计算得出以下规律:陶瓷层内的径向应力随基底曲率半径增大而减小,而环向应力和轴向应力均随基底曲率半径增大而增大;陶瓷层和氧化层内的径向应力、轴向应力和环向应力均随热循环温度的增大而增大;陶瓷层和氧化层内的径向应力、环向应力和轴向应力均随陶瓷层厚度的增大而增大;陶瓷层和氧化层内的径向应力、环向应力和轴向应力均随热循环次数的增大而增大。在第20个热循环以前陶瓷层和氧化层内的径向应力、环向应力和轴向应力均增大很快,20个热循环之后趋于稳定。 总之,本论文的研究工作较为系统地分析了在制备过程和热循环过程中圆柱体结构热障涂层系统的残余应力,为今后预测带热障涂层系统的涡轮叶片、导向叶片的应力演变提供重要的理论基础和指导。
【学位授予单位】:湘潭大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TG174.4

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