第十三届全国青年表面工程学术会议

286 / 2021-04-24 10:10:00

基于裂纹形态及动力学控制的热障涂层延寿技术的有限元模拟计算研究

热障涂层；热生长氧化物层(TGO)；分区裂纹密度；自修复效应；服役寿命

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可靠性和持久性是热障涂层关注的两个重要方面。可靠性通常要求热障涂层能够满足实际工况的使用要求，包括结合强度，隔热能力等。而持久性则强调其服役寿命。采用有限元方法模拟计算了陶瓷层内部横向裂纹和纵向裂纹对热障涂层热震过程中TGO处残余应力的影响规律，系统地对热障涂层在热震条件下的裂纹扩展及失效机制进行了研究。结果表明纵向裂纹的存在能明显降低TGO处最大拉应力的集中，纵向裂纹越靠近TGO层，对TGO层的最大压应力影响越大，而纵向裂纹的投影离波峰最近时，则TGO层更能释放裂纹尖端附近的拉应力集中。通过控制纵向裂纹在TGO上方的分布能够提高涂层的循环热震寿命。进一步提出了通过控制涂层表面处的分区裂纹密度，能够提高涂层的抗热震性能的思想。模拟计算结果表明当控制涂层的分区裂纹密度在2.38~4.76cracks/mm, 涂层具有较高的抗热震性能，计算结果得到了实验的证实。再进一步提出了通过裂纹自修复效应进一步提高热障涂层服役寿命的思想。通过有限元模拟计算设计了自修复热障涂层成分与结构，得到了自修复涂层各层厚度配比，对涂层的自修复效果进行了模拟计算，并采用热力学计算揭示了涂层自修复机理的动力学过程。