热障涂层中孤岛氧化物对界面残余应力的影响

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1、第32卷第4期2014年8月中国民航大学学报JOURNALOFCIVILAVIATIONUNIVERSITYOFCHINAV01．32No．4August2014热障涂层中孤岛氧化物对界面残余应力的影响韩志勇，靖珍珠(中国民航大学天津市民用航空器适航与维修重点实验室，天津300300)摘要：使用ABAQUS有限元分析软件研究热障涂层热循环过程中孤岛氧化物对涂层界面残余应力的影响。选取正弦和平面形貌作为涂层的典型界面特征。结果表明，氧化物位于波峰处对涂层界面残余应力的影响大于位于波谷处对界面的影响。孤岛氧化物距离TGO／BC界面越近，对界面残余应力影响越大

2、。孤岛氧化物半径越小对TGO／BC界面残余应力影响越小。关键词：热障涂层：孤岛氧化物；残余应力；有限元分析中图分类号：TGl72．6文献标志码：A文章编号：1674—5590(2014)08一0036—03EffectofisolatedoxideoninterfaceresidualstressinthermalbarriercoatingsHANZhi-yong，JINGZhen-zhu(CivilAircrqfiAirworthinessandMaintenanceKeyLabofTianjin，CAUC，Tianjin300300，China)A

3、bstract：TheinterfaceresidualstressesinthermalbarriercoatingsduringthermalcyclingfordifferentisolatedoxidesaremodeledbyusingfiniteelementanalysissoftwareABAQUS．SineandplanepatternsareselectedastypicalinterfacesfeatureofTBCs．Itshowsthattheeffectofoxideinthepeakontheinterfaceresidua

4、lstressesismoresignificantcomparedwiththeoxideinthetrough．WithshorterdistancebetweenisolatedoxideandTGO／BCinterface，theinfluenceoftheisolatedoxideontheinterfaceresidualstressesgetsmoreserious．Besides，theshorteroftheisolatedoxideradius．thelesseffectofwhichontheinterfaceresidualstr

5、esses．Keywords：thermalbarriercoatings；isolatedoxide；residualstress；finiteelementanalysis热障涂层(thermalbarriercoatings，TBCs)是一种先进的表面防护技术，在航空航天中发挥着极大的作用。热障涂层主要由陶瓷层(TCC)和粘结层(BC)组成，通常使用等离子喷涂技术、电子束气相沉积和激光重熔技术等方法制备。在热循环过程中，涂层中金属元素被氧化在粘结层和陶瓷层之间会形成一层热生长氧化物(thermallygrownoxide，TGO)。在热循环作用下，

6、随着TGO长大，由于热物性的不匹配，TCC／TGO、TGO／BC界面间的残余应力是热障涂层失效的主要原因【1-21。对于涂层失效，国内外学者主要针对热障涂层界面形貌做了大量研究M。由于氧化过程极为复杂，对于涂层中孤岛类热生长氧化物对涂层界面应力影响的研究相对较少，为了提高热障涂层的使用寿命及机械完整性，对热障涂层中孤岛状氧化物产生的残余应力进行研究。对于热障涂层中孤岛氧化物对界面残余应力的影响分析，实验过程中采用计算机模拟的方法，使用有限单元法，根据氧化后的涂层界面形貌在有限元软件ABAQUS中建立模型计算。1实验方法与模型建立采用GH99镍基高温合金制

7、备出尺寸为H=6mm，咖=25mm的圆柱作为基底材料，使用美国PRAXAIR3710型等离子喷涂设备制备厚度约为120仙m的粘结层CoCrAlY和150¨m陶瓷层8YSZ(Zr02—8wt％Yz03)，制备的样品经过高温热循环后，典型的热障涂层电子扫描图像如图1所示【6】。据图1中界面特征，不失一般性，计算过程中采用二维模型，计算单元选取正弦和平面形貌，如图2所示。设定模型中的陶瓷层、热生长氧化物层、粘结层的厚度分别为120斗m、5¨m、100斗m。涂层界面形貌中正弦曲线函数为Y=20cos(，rrx／20)，单位为p．m，界面中直线长度为20斗m。收稿

8、日期：2013—07—02；修回日期：2013—09—06基金项目：国家自然科学