唐家鵬，李志永

（1中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051；2北京航空航天大學(xué)，北京 100083）

0 引言

近年來(lái)，隨著航空燃?xì)鉁u輪機(jī)向高流量比、高進(jìn)口溫度方向發(fā)展，燃燒室中的燃?xì)鉁囟群蛪毫σ膊粩嗵岣?。目前，燃?xì)鉁囟纫呀咏?000 K，隨著對(duì)飛機(jī)高推重比的不斷追求，如此高的溫度是現(xiàn)在高溫合金所不能滿足的，而熱障涂層的應(yīng)用在很大程度上延伸了高溫合金使用的溫度范圍［1］。

熱障涂層作為一種有效的熱防護(hù)技術(shù)，以其使用方便、效果顯著而受到越來(lái)越多的重視。從熱障涂層出現(xiàn)到現(xiàn)在其制造工藝日趨完善，已逐步由實(shí)驗(yàn)室研究階段進(jìn)入到使用階段，目前，熱障涂層被廣泛的應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)和能源工業(yè)中，尤其是在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片中普遍應(yīng)用［2］。采用熱障涂層技術(shù)，可以在保持原有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上減少用作葉片冷卻的空氣量，因此可以提高整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力。

1 有限元分析模型

熱障涂層系統(tǒng)是一種多層結(jié)構(gòu)，一般包括基體、金屬粘結(jié)層、隔熱陶瓷層，以及在涂層制備和使用過(guò)程中在粘結(jié)層與陶瓷層之間產(chǎn)生的熱氧化層。文中研究的有限元模型的各層材料的定義為：陶瓷層為粘塑性；氧化層為彈性；粘結(jié)層為彈塑性；基體為彈塑性，各層的材料參數(shù)都是溫度相關(guān)?；w材料為K423 A，該合金是在K423合金基礎(chǔ)上研制的鎳基鑄造高溫合金；粘結(jié)層材料為Ni22Cr10Al；氧化層材料為Al2O3；陶瓷層材料為Zr O2。

1.1 有限元模型結(jié)構(gòu)

根據(jù)渦輪葉片涂層的工作特點(diǎn)，建立了圓管型的有限 元 模 型［3－4］，其 中 基 體 內(nèi) 徑 為 6 mm，壁 厚 為2 mm。熱障涂層涂覆在圓管的表面來(lái)承受溫度載荷的作用，圓管內(nèi)部通入冷卻空氣來(lái)進(jìn)行降溫，粘結(jié)層厚度為0.1 mm，陶瓷層厚度為0.15 mm。由于模型的對(duì)稱性，從試件的中部的一個(gè)截面上取氧化層的半個(gè)波長(zhǎng)來(lái)進(jìn)行研究，試件結(jié)構(gòu)和有限元模型如圖1所示。

1.2 模型的邊界條件

由于模型的對(duì)稱性，在建立的有限元模型（圖1（c））的左側(cè)邊界上施加軸向（x方向）的固定位移約束，由于試件在工作過(guò)程中，承擔(dān)工作載荷的主要是基體，所以在模型的右邊界上施加與基體變形相同的位移約束，熱障涂層的隔熱降溫效果一般在100℃左右，故在建立模型時(shí)，模型的內(nèi)外邊界采用固定溫度的邊界條件，模型外表面溫度為1050℃，內(nèi)表面溫度為950℃。

圖1 涂層試件模型

2 熱障涂層應(yīng)力分析

2.1 不同初始無(wú)應(yīng)力狀態(tài)溫度對(duì)涂層內(nèi)應(yīng)力的影響

在熱障涂層的有限元分析中，假設(shè)一個(gè)初始的無(wú)應(yīng)力狀態(tài)溫度，處于此溫度狀態(tài)時(shí)，涂層內(nèi)部不存在殘余的應(yīng)力，這個(gè)溫度與制造涂層的工藝相關(guān)，研究中對(duì)不同的無(wú)應(yīng)力狀態(tài)溫度對(duì)涂層內(nèi)部的應(yīng)力分布與變化規(guī)律進(jìn)行了研究。

為研究與觀察的方便，取模型的右邊界上從模型內(nèi)壁到外壁路徑上的節(jié)點(diǎn)為研究的對(duì)象，可以很明顯的觀察到熱障涂層的隔熱效果，如圖2所示。

觀察圖中的溫度曲線并對(duì)照模型中的節(jié)點(diǎn)可知，在距模型內(nèi)表面大約2.1 mm的位置開(kāi)始，溫度梯度發(fā)生了急劇變化，而這個(gè)位置是隔熱陶瓷層與氧化層的界面位置，基體中的溫度變化相對(duì)于隔熱陶瓷層中的變化要平緩的多，這種現(xiàn)象正是熱障涂層能對(duì)基體產(chǎn)生隔熱效果的直觀體現(xiàn)。

圖2 模型徑向溫度分布

由于熱障涂層中的初始裂紋一般首先發(fā)生在陶瓷層與氧化層的界面處，所以下面主要針對(duì)這個(gè)界面處的最大法向應(yīng)力進(jìn)行分析討論，有限元計(jì)算結(jié)果表明：模型中陶瓷層在室溫狀態(tài)下界面最大法向應(yīng)力為負(fù)值（如圖3（a）），并且隨著無(wú)應(yīng)力狀態(tài)溫度的不斷升高，應(yīng)力的絕對(duì)值以二次曲線形式逐漸升高。相反，在高溫狀態(tài)下界面處的應(yīng)力隨無(wú)應(yīng)力狀態(tài)溫度的不斷升高以二次曲線形式逐漸降低。因?yàn)閷?duì)于裂紋的萌生與擴(kuò)展來(lái)說(shuō)，負(fù)的法向應(yīng)力不會(huì)起作用，所以要研究不同的無(wú)應(yīng)力狀態(tài)溫度對(duì)陶瓷層內(nèi)裂紋的萌生與擴(kuò)展的影響，需要研究高溫狀態(tài)下的熱障涂層，從圖3（b）所示的角度出發(fā)，可以認(rèn)為較高的無(wú)應(yīng)力狀態(tài)溫度對(duì)于陶瓷層內(nèi)裂紋的萌生與擴(kuò)展是有限制作用的。

圖3 陶瓷層法向應(yīng)力隨溫度變化曲線

2.2 不同氧化層厚度對(duì)涂層內(nèi)應(yīng)力的影響

氧化層對(duì)熱障涂層的失效有很重要的作用，一般情況氧化層的厚度不會(huì)超過(guò)10μm。本次研究中所選用的氧化層厚度范圍基本涵蓋了從熱障涂層制備時(shí)氧化層的厚度到氧化層達(dá)到臨界厚度的整個(gè)厚度范圍，涂層在制備之初的氧化層厚度一般為1μm左右，所以選取1μm的氧化層厚度為研究的初始值。無(wú)應(yīng)力狀態(tài)溫度選取400℃。

有限元計(jì)算所得的應(yīng)力分布情況與所研究的無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下的分布一致，陶瓷層與氧化層界面危險(xiǎn)點(diǎn)處的最大法向應(yīng)力隨氧化層厚度的變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 陶瓷層法向應(yīng)力隨氧化層厚度變化曲線

從圖4可以看出，隨著氧化層厚度的增加，室溫狀態(tài)下法向應(yīng)力數(shù)值呈線性減小，應(yīng)力為負(fù)值。在高溫狀態(tài)下應(yīng)力為正值，并且隨氧化層厚度的增加呈二次曲線形勢(shì)逐漸減小，從曲線上看似乎是氧化層的厚度越厚陶瓷層中的應(yīng)力會(huì)越小，但是由于氧化層的生長(zhǎng)本身會(huì)引起體積上的變化，致使氧化層生長(zhǎng)在涂層中會(huì)產(chǎn)生附加的應(yīng)力，這個(gè)應(yīng)力一般小于1 GPa，但是對(duì)材料性能的影響卻非常的明顯，本次研究中沒(méi)有考慮氧化層增厚過(guò)程中體積變化引起的應(yīng)力，所以不能說(shuō)為了使涂層的抗疲勞性能更佳而采用較厚的氧化層涂層，如果從氧化層厚度方面考慮提高涂層的工作性能而要在涂層的制備工藝過(guò)程中獲得適宜的氧化層厚度，則需要綜合考慮上述氧化層兩種因素對(duì)涂層內(nèi)應(yīng)力的影響。

3 結(jié)論

文中利用非線性有限元分析軟件MSC.Marc對(duì)渦輪葉片等離子熱障涂層進(jìn)行了較全面的分析，得到以下結(jié)論：

1）陶瓷層中危險(xiǎn)部位的法向應(yīng)力在室溫狀態(tài)下處于壓應(yīng)力狀態(tài)，在高溫狀態(tài)處于拉應(yīng)力狀態(tài)，而對(duì)于裂紋的萌生與擴(kuò)展壓縮應(yīng)力不起作用。

2）無(wú)應(yīng)力狀態(tài)溫度對(duì)涂層在整個(gè)工作過(guò)程中的應(yīng)力分布有較大影響，溫度的增加會(huì)使陶瓷層危險(xiǎn)部位的法向應(yīng)力呈二次曲線形式逐漸的減小，也就是說(shuō)在涂層的制備過(guò)程中適當(dāng)?shù)奶岣咧苽錅囟?，從而使涂層的壽命可以相?yīng)的得到提高。

3）熱障涂層內(nèi)危險(xiǎn)部位的法向應(yīng)力在高溫狀態(tài)時(shí)，應(yīng)力隨氧化層的厚度逐漸增加呈二次曲線的形式逐漸的降低，因此適當(dāng)增加氧化層的厚度對(duì)提高涂層的壽命是有利的。

［1］ 魏洪亮.渦輪葉片／熱障涂層結(jié)構(gòu)分析方法及界面破壞研究［D］.北京：北京航空航天大學(xué)，2007.

［2］ Sheffler K D.Current stat us and f uture trends in tur bine application of ther mal barrier［J］.Jour nal of Engine for Gas Turbine and Power，1988，110（4）：605－609.

［3］ 姚國(guó)鳳，馬紅梅，王曉英，等.熱障涂層界面形貌尺寸與殘余應(yīng)力的關(guān)系［J］.金屬熱處理，2005，30（10）：43－46.

［4］ 李志永，鮑蕊，張建宇，等.換熱系數(shù)對(duì)熱機(jī)耦合作用下熱障涂層性能的影響［J］.航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2008，23（5）：946－951.