界面形貌以及tgo厚度对热障涂层失效机理的影响研究

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1、硕士学位论文（学位研究生）题目：界面形貌以及TGO厚度对热障涂层失效机理的影响研究作者：王力彬学科专业：固体力学指导教师：于庆民二零一五年三月ADissertationfortheMaster'sDegreeStudyoninfluenceofmorphologyandthicknessofTGOonfailuremechanismofthermalbarriercoatingsbyWangLibinSupervisedbyA.P.YuQingminSchoolofMechanics,CivilEngineering&ArchitectureNorthwesternPolytechnica

2、lUniversityXi’an,Shaanxi,P.R.ChinaMarch,2015西北工业大学硕士学位论文摘要本文采用有限元方法，研究了等离子喷涂热障涂层冷却至室温后界面形貌以及TGO的存在对残余应力场的影响；以内聚力单元模拟TBC/BC界面，得到了热-力耦合作用下界面裂纹萌生和扩展的规律。主要的工作总结如下：1.建立了含基底和不含基底的两种有限元模型，研究了基底的存在对热障涂层残余应力分布的影响，结果表明：与不含基底时的结果相比，含基底时相应波峰处的应力值有所增大，并且增大的幅度随着界面幅值增加而增大，但是应力的变化值与该处的应力值相比可以忽略。为减小计算量，在后续研究中可以不考虑

3、基底。2.研究了界面粗糙度对热障涂层界面残余应力分布的影响，采用一条幅值不断增大的曲线来模拟界面形貌。结果表明，界面粗糙度对界面残余应力的分布有显著的影响，粗糙度越大，陶瓷层和结合层靠近界面的波峰、波谷处水平方向和垂直方向的最大拉/压应力也越大。3.使用内聚力单元模拟TBC/BC界面，并在TBC表面施加位移载荷，研究了界面处损伤以及裂纹的萌生和扩展规律。结果表明：在较小位移载荷作用下，只是有损伤出现，同时可注意到，波谷处损伤为零，且随着幅值的增大，波峰处的损伤逐渐增大。裂纹最先出现的位置并不是整个界面中残余应力最大的部分，而是最小振幅下拉应力和压应力最大的部位，说明粗糙度对界面破坏的影响是

4、相当复杂的。4.在界面粗糙度相同的情况下，研究了不同界面形貌对热障涂层系统残余应力及界面断裂的影响。结果表明，随着幅值的变化，同一界面形貌下的水平方向垂直方向的残余应力发生着规律性的变化：随着幅值的增大而增大，随着幅值的减小而减小；但是对于不同界面形貌下相同幅值处的水平残余应力值是存在着差异的，这与界面形貌有着很大的关系。幅值不断增大的界面形貌完全断裂所需的载荷最大，抵抗断裂的能力最强，而以标准正弦曲线为界面形貌的模型完I西北工业大学硕士学位论文全断裂所需的位移载荷值最小，故抗断裂能力最弱。5.分BC层为完全弹性和考虑塑性变形两种情况，研究了TGO以及界面幅值对残余应力的影响，结果表明，是

5、否考虑BC层的塑性变形对界面处残余应力的分布规律影响很小，只是数值上考虑塑性变形时要比不考虑塑性变形时小；TGO厚度、TGO层以及界面幅值对界面处残余应力的分布有显著的影响，随着TGO厚度的增大，残余应力值也相应增大，并且随着幅值的增大而增大；BC层界面最大拉应力与TGO厚度成线性增长关系，而TBC层则相反；BC层中的最大拉应力远远大于TBC层中的最大拉应力，这也是热障涂层在BC/TGO界面失效的主要原因。另一方面，无论是在TBC层，还是在BC层中，最大拉应力与幅值均为线性增长关系；左右两边的幅值情况对TGO层中残余应力分布的扰动现象与TGO的厚度和幅值有很大的关系，随着这两个参数值的增大

6、，扰动明显增强。关键词：热障涂层，应力分布，裂纹，厚度，幅值II西北工业大学硕士学位论文AbstractTheeffectofinterfacemorphologyandthermalgrowingoxide(TGO)onresidualstressfieldinairplasmasprayedthermalbarriercoatingsystemhasbeenstudiedwithfiniteelementmethod.Thecohesiveelementwasusedtomodeltheinterfacebetweenthermalbarriercoating(TBC)andbondc

7、oat(BC),andthecrackinitiationandpropagationunderthermal-mechanicalloadingwasinvestigated.Themainworksaresummarizedasfollows:1.Twomodelswithsubstrateandwithoutsubstratewereestablishedtostudytheeffectofsubstrateonr