TGO生長對熱障涂層系統(tǒng)失效影響的有限元分析及研究.pdf

1、熱障涂層系統(tǒng)（TBCs）因具備良好的耐熱和抗氧化等優(yōu)異性能而被廣泛應用于航空發(fā)動機的熱端部件。典型的熱障涂層系統(tǒng)通常包括陶瓷層（TBC），粘接層（Bond Coat），合金基體層（Substrate）以及位于粘接層和陶瓷層之間的熱生長氧化物層（TGO）。研究發(fā)現(xiàn)，TGO是造成熱障涂層系統(tǒng)失效的主要原因之一。TGO在高溫熱循環(huán)階段的連續(xù)生長會在熱障涂層系統(tǒng)內部產生巨大的應力，從而使TGO產生面外位移，造成TGO發(fā)生位移不穩(wěn)定性。當TGO的

2、位移不穩(wěn)定性過大時，將導致氧化層的失效剝落，熱障涂層系統(tǒng)也會因此而失效。
　　TGO的連續(xù)生長過程主要發(fā)生在高溫氧化階段。對該過程的數(shù)值模擬，目前所使用的通用有限元軟件（如ANSYS）的常規(guī)模擬方法難以實現(xiàn)TGO的動態(tài)生長過程，即在數(shù)值模擬過程中難以將基體材料的屬性隨著時間步的變化連續(xù)轉換為TGO。而基于ABAQUS軟件的二次開發(fā)功能（UMAT）使得這一過程的實現(xiàn)成為可能。本文基于ABAQUS用戶子程序UMAT等功能，成功實現(xiàn)了T

3、GO在高溫熱循環(huán)過程中動態(tài)生成過程的數(shù)值模擬?；谠撚邢拊夹g，開展了TGO生長過程對熱障涂層系統(tǒng)失效的數(shù)值模擬研究。結果表明，本文采用的UMAT方法在TGO的厚度小于1μm時與美國加州大學圣巴巴拉分校的A.M.Karlsson教授使用的方法所取得的結果相比具有很好的吻合度。當TGO的厚度超過1μm時，Karlsson方法因單元大變形引起的畸變造成計算不收斂而無法繼續(xù)進行TGO生長過程模擬。而本研究中的UMAT方法卻可以繼續(xù)完成TGO生

4、長過程模擬，與實驗結果對比，仍然能取得很好的一致性，并且不受TGO厚度限制。該有限元模擬方法能夠用于任意厚度TGO生成過程的數(shù)值模擬。為后續(xù)基于真實材料參數(shù)（材料屬性、TGO真實厚度等）開展數(shù)值模擬研究提供了較好的方法參考。
　　另一方面，在目前的有限元分析中，TGO通常被當作純氧化鋁層，但是實驗研究發(fā)現(xiàn)，在熱障涂層系統(tǒng)服役后期TGO中會因為混合氧化物的出現(xiàn)而形成混合氧化層。新生成的混合氧化層會造成TGO內部的應力急劇增加，導致T

5、GO的位移不穩(wěn)定性加劇，從而加速熱障涂層系統(tǒng)的失效。目前的研究工作中，很少有專門研究TGO到混合TGO對熱障涂層系統(tǒng)位移不穩(wěn)定性的影響。因此，本文利用有限元法模擬了TGO中混合氧化層在高溫熱循環(huán)條件下的動態(tài)生成過程以及對位移不穩(wěn)定性的影響。同時，采用控制變量法分別研究了混合氧化層的橫向生長應變、生長速度以及混合氧化層厚度這三個參數(shù)對TGO位移不穩(wěn)定性的影響。結果表明，混合氧化層對TGO位移不穩(wěn)定性的影響比純TGO層更明顯，并且TGO的位

6、移不穩(wěn)定性隨著混合氧化層的橫向生長應變、生長速度以及混合氧化層厚度的增加而快速增加。
　　綜上，本文基于ABAQUS的用戶子程序功能（UMAT）編制了一種能夠采用真實材料參數(shù)模擬TGO在高溫熱循環(huán)過程中實時動態(tài)生成過程的有限元分析方法。當所研究的TGO厚度小于1μm時，該方法計算的TGO位移不穩(wěn)定性的結果和Karlsson經典方法一致，而當TGO厚度大于1μm時，Karlsson經典方法不能繼續(xù)工作，而該方法能夠模擬出與實驗結果高