热障涂层高温TGO生长变化.pdf

第35卷第11期
焊接学报
Vol 35 No. 11
20 1 4 f 11 F TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION November 2014
热障涂层高温TGO生长変化
韩志勇,王晓梅,王志平
(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:通过 Abaqus有限元分析软件对热障涂层在高温氧化过程中的热氧化物层( themally growth oxide,"TGO)生
长机制进行研究.结果表明,当高温氧化到100h时,TGO厚度由初始的0.5um生长至6.7um且在不同位置TGO
的厚度略微不同.随着高温时间的增加,热障涂层在TGO的波峰、波谷以及涂层边界处容易出现应力较大值,且和
周围材料相比应力明显较大,此时,这些位置容易达到材料裂临界应力,形成裂纹萌生点,使得涂层失效.在高温
氧化过程中,涂层吸收总能量为43.6J,其中少部分转化为涂层变形所消耗的能量,剩下的能量为高温氧化过程中
涂层成分改变,微观组织改变以及裂纹萌生扩展提供能量
关键词:热障涂层;热氧化物; Abaqus有限元软件
中图分类号:TG172.6文献标识码
文章编号:0253-360X(2014)11-(0005-04
0序言
制”为主,且在经过122h斤新形成的T"O氧化物也
主要以Al2(为主.
热障涂层足将耐高温、抗腐蚀、高隔热的陶瓷材
文中通过 Abaqus有限元软件,对高温氧化过程
料通过物理或化学方法沉积在基体合金表面,以提中的TGO生长进行初步模拟探索,观察TGO生长以
高基体合金抗高温氧化腐蚀能力,降低合金表面工及生长过程对涂层应力分布,能量变化的影响,从而
作温度.对于等离子喷涂的热障涂层,影响涂帮助理解实际过程中TCO生长机制,为热障涂层高
层热循环寿命的因素包括
表面陶瓷层与金属温过程研究奠定理论基础.
基底之间的热膨胀不匹配、陶瓷层发生相变黏结层
发生氧化和腐蚀、金属基底的粗糙度以及陶瓷层的1热障涂层结枃
烧结等.热障凃层最主要的失效原因为TCO的生
成"”.热生长氧化物层厚度増长会产生微缺陷,1.1涂层结构
其在低界面粗糙度的情况下产生的影响尤为明显.
现在应用最为广泛的为双层结构的热障涂层,
氧化过程中,TCO经历平面内压缩变形,其压缩变形由陶瓷层( top coating,TC)和粘结层( bond coating,
程度在冷却过程中增强.变形强度和相应的应变能BC)组成.文中陶瓷层(8%Y2O3的ZO2,质量分
密度被自身的伸长和平面外的位移变形减弱,导致数)厚度为250m,粘结层(Ni22Cr-40Al4Y)厚度
陶瓷涂层屈山和粘结层的粘塑性变形,产生垂直于为100wm以及初始TGO(主要为A202)厚度为0.5
涂层界面的拉应力及缺陷2.
umL.由于涂层的厚度相对基体很小,因此计算模型
刘文开对热障涂层高温氧化后发现陶瓷层只取粘接层,TC0层和陶瓷层,如图1所示
和粘结层之间的氧化物生成主要分为三个阶段,初
文中计算研究热障凃层在持续的高温氧化过程
期主要是Al203和其它元素的尖品石氧化物共同存中TGO厚度变化以及高温氧化处理后涂层内的残
在;稳定氧化阶段主要为Al2O的选择性氧化;复杂余应力分布.设定涂层初始为室温25℃,升温至
氧化阶段巾于出现贫铝现象使得尖品石数量增加.1000℃,高温氧化3.6×10s.在整个计算过程中
韩玉君对热障涂层000℃高温下进行不同时的涂层周围空间中的温度分布是均匀的.计算过程
间的烧结后发现,长期的高温氧化使得热障涂层中中采用非线性计算,因此重点考虑涂层材料的物性
的氧扩散由空穴扩散转变为“陶瓷层品格氧扩散机参数随温度场的变化.忽略涂层制备过程产生的
残余应力的影响以及此过程中的蠕变,残余应力的
收稿日期:2013-07-05
分布与过程无关,所以计算过程只考虑5℃和
基金项目:国家自然科学棊金项日(U1333107
1000℃这两个初末状态.
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焊接
2.2TGO生长过程中应力変化
图3为不同时间下的模型应力ー时间变化
图,可以很明显地看出,随着时间的增加,TGO厚度
逐渐增加,因此产生的变形量逐渐增加,导致陶瓷
层,粘结层和TGO之间的不匹配开始逐渐増大.
图中TCO处应力快速増加,同时对GO附近的陶瓷
层和粘结层的影响也随之增大,TGO周围的变形量
也相应增加,因此图3中TGO边界,波峰以及波谷
等应力容易堆积处表现为网格开始不容易收敛,产
生畸形变化.
图1热障涂层结构
Fig 1 Thermal barrier coatings schen atic
や
2模型设置
IGO的初始形状为正弦曲线,波长为200wm,
(a)60h
幅值为40m.由于模拟的有限性以及界面的重复
性,因此只选取一个正弦波,左石边界设定为对称
表示涂层在横向的延伸性.
b卡
由于凃层的厚度一般小于500wm,所以相对于
基体(几千微米水说很小,因此模拟过程中涂层底
(b)80h
层设置为完全固定,无任何方向的相对移动.由于
模型网格划分尺寸和类型对计算结果都有一定的影
响,因此通过查阅文献和预模拟结果,最后采用
C3D8R(三维8节点減缩积分)的单元类型,网格尺
b
寸为4.
(c)100h
2结果与讨论
图3不同时间下应力沿着TGO路径的分布云图
2.1TGO生长厚度変化
Fig 3 Atlas of stress distribution along TGO layer at dif-
图2为不同厚度下的TGO示意图,可以很明显
ferent increments
地看出,TGO厚度从初始的0.5m増加至6.7pm,
且TGO不同位置生长的最终厚度略有差异,这是由
图4和图5为波峰周围横向和纵向的应力分
TGO的形貌以及陶瓷层,粘结层和TGo自身在不同布.图4-图7分别为涂层氧化60,80,100,140和
高温下变形所导致的.
146h后应力分布曲线.x表示界面上各点与模型最
左端的距离.通过对比可以看出,随着波峰距离的
増加,左右两端应力均快速减小,均保持在1000
MIa左右.而横向和纵向波峰处应力为最大,横向
应力由3000MPa増加到8400MPa.波峰横向应力
分布为以波峰为中心,左右对称形态,而波峰纵向应
5 um
力分布的波峰左端为TC内应力分布,由于TC和
原始
b)氧化100h
TGO热物参数不同因而应力快速增加,最大应力变
化率为1.37MPa/s,而波峰右端为BC内应力变化
图2TGO厚度云图
趋势,应力在BC内快速减小,最大应力变化率为
Fig 2 Atlas of G O at different time points
2.50MPa/s.