有限元方法分析TGO形貌对涡轮叶片热障涂层应力场的影响

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1、学校代码10530学号201110081278分类号TB35密级公开硕士学位论文有限元方法分析TGO形貌对涡轮叶片热障涂层应力场的影响学位申请人蔡明指导教师周益春教授学院名称材料与光电物理学院学科专业材料科学与工程研究方向防护涂层制备与应用二零一四年四月万方数据Theanalysisofmorphologyofthermallygrownoxideinfluenceonthestressfieldinaturbinebladewiththermalbarriercoatingsbyfiniteelementmode

2、lingCandidateMingCaiSupervisorProfessorYichunZhouCollegeFacultyofMaterials,OptoelectronicsandPhysicsProgramPreparationandApplicationofProtectiveCoatingsSpecializationMaterialsScienceandEngineeringDegreeEngineeringMasterUniversityXiangtanUniversityDateApril,201

3、4万方数据湘潭大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湘潭大学可以将本学位论

4、文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日万方数据摘要热障涂层(Thermalbarriercoatings，简称TBCs)以其优异的隔热、耐磨和耐蚀性被广泛应用在航空涡轮发动机中。由于热障涂层复杂的结构、恶劣的工作环境，粘结层将会发生氧化,在粘结层与陶瓷层之间形成一层氧化层(ThermallyGrowthOxide，简称TGO)。然而，氧化层的厚度极小，再加上其主要成分是氧化铝的弹性模量很大

5、，使得其应力水平比另外三层的应力高1到2个数量级，容易发生应力集中现象，进而可能导致涂层界面裂纹产生、扩展与剥落。因此，研究氧化层对热障涂层使用寿命的影响是非常重要的，本文采用有限元方法分析TGO形貌对涡轮叶片热障涂层应力场的影响，本论文的主要研究内容如下：第一，由于涡轮叶片热障涂层系统复杂的几何结构，单纯依靠有限元软件难以建立其实际尺寸的几何模型，考虑TGO形貌进一步加大了建立几何模型的难度。因此，我们结合有限元软件(ABAQUS)和三维画图软件(CATIA)，建立了不同TGO形貌的涡轮叶片热障涂层系统的有限元几

6、何模型，并对其赋予材料属性、设定边界条件、网格划分，本文给出了详细具体的操作步骤。第二，针对一种TGO厚度为10µm、振幅为20µm的涡轮叶片热障涂层模型，分析了涡轮叶片热障涂层系统制备完成后冷却到室温过程中各层的初始残余应力场，发现各层均存在不均匀的残余应力，并且TGO内的残余压缩应力约达-2.5GPa，是导致热障涂层系统破坏的主要原因之一；稳态温度场的计算结果表明，热障涂层的隔热效果明显，承担了60%-80%的温度差，并且涡轮叶片各位置的隔热效果不一致；对热循环过程中的力学行为进行了有限元模拟，得到系统各层应力

7、分布及演化规律，结果与解析结果符合得较好。第三，通过对不同TGO形貌的涡轮叶片热障涂层系统进行热循环应力场的有限元模拟，结合各种TGO形貌的有限元模拟结果，比较不同TGO形貌模型应力场的水平，分析TGO形貌对涡轮叶片热障涂层体系应力场的影响。结果表明，相同TGO厚度下，涡轮叶片热障涂层体系的应力水平随TGO界面形貌粗糙度的增大而增加；同样，在固定的TGO界面粗糙度下，系统的应力水平随TGO厚度的增大而增加。同时也可根据系统的应力场，对陶瓷层的危险区域进行初步预测。总之，本论文应用有限元方法分析了TGO形貌对涡轮叶片

8、热障涂层系统应力场的影响，得到了一些有意义的结论，为将来热障涂层的危险区域和寿命预测提供重要的实验方法和参考依据，而且也也扩展了有限元法的应用领域。关键词：涡轮叶片；热障涂层；有限元方法；TGO形貌；热循环I万方数据AbstractThermalbarriercoatings(TBCs)havebeenwidelyusedinaircraftturbinee