摘 要：以等離子噴涂熱障涂層為研究對象（陶瓷層為ZrO2，結合層為NiCrAlY），建立熱障涂層的模擬結構，利用ABAQUSE對所建立的模型進行殘余應力的分析，得出陶瓷層和結合層四種二維界面形貌對熱障涂層的殘余應力（垂直于界面方向的拉應力）的分布的影響。結果表明：宏觀上，界面形貌為平面的涂層的殘余應力要小于界面形貌為曲面的涂層；微觀上，界面形貌為幅值相同的正弦波的殘余應力會隨著波長的減少而增加；微觀上，界面形貌為波長相同的矩形波的殘余應力的會隨著高度的增加而增加，但是根據研究結果表明這種增長程度并不明顯，也就是說對應力的分布影響不顯著。

關鍵詞：ABAQUS；熱障涂層；殘余應力；界面形貌

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.16.174

0 前言

熱障涂層（TBS）—在空氣冷卻的高武合金葉片基體也高溫燃氣之間提供一層隔熱和抗氧化的屏障?？纱蟠蠼档透邷夭考谋砻鏈囟?，使現代航空燃氣渦輪發(fā)動機在高于金屬合金熔點溫度的燃氣中工作成為可能，從而提高發(fā)動機的效率和性能，使得使用壽命的到很大提高。

隨著現代材料科學的進步和航空航天技術的高科技的迅猛發(fā)展，如今熱障涂層的種類非常多，且共同的作用是保護在高溫工作的工程材料不受腐蝕、氧化、磨損和為這些工程材料提供潤滑和絕熱的防護[1]。

1 熱障涂層結構與失效機理

1.1 涂層的基本結構

陶瓷層熱障涂層是把陶瓷材料沉積在渦輪發(fā)動機葉片的表面，從而提高了發(fā)動機的耐高溫和抗腐蝕性能延長了使用的壽命并提高了發(fā)動機的效率。涂層主要有隔熱陶瓷層、結合層和基體三部分組成[2]。

1.2 熱障涂層失效機理

熱障涂層失效剝落是熱障涂層在實際工程領域應用的巨大障礙[3]。熱障涂層剝落的主要原因是涂層制備過程產生的殘余應力和熱循環(huán)過程中應力的產生。這一應力包括四個方面：金屬結合層氧化物的熱生長應力、相變應力、溫度梯度分布引起的而盈利、熱膨脹不匹配硬啟動熱應力。

2 分析模型的建立

2.1 模型描述

建立的模型為陶瓷層與結合層的結合體。其中陶瓷層的厚度為250um，結合層的厚度為200um。

第一、建立研究宏觀形貌為平面和曲面的模型，分析宏觀形貌對熱障涂層殘余應力的影響，故建立一個界面形貌為平面的模型。

第二、建立研究微觀形貌為正弦波的模型，分析微觀形貌（此處指曲率）對熱障涂層殘余應力的影響，故建立三個幅值（幅值為30um）相同但波長不同的是個模型。三個模型波長分別為200 um、400 um。

2.2 載荷加載

初始條件為涂層的溫度為293K（即室溫25℃），假設此狀態(tài)下涂層的應力狀態(tài)為零狀態(tài)。對邊界條件設定，對模型的底邊的所有自由度進行限制，保證模型的底邊在載荷加載時不能移動。對溫度場的加載如下圖。

2.3 模型建立

為了能在ABAQUS的軟件下研究本課題，我們必須在ABAQUS的軟件下建立我們研究的模型。我們可以按照以下的步驟建立模型：

通過以上步驟，我們可以建立以下的兩種模型，如圖1至圖2所示。

3 軟件仿真結果分析

3.1 平面界貌與曲面界貌的研究

提交分析任務后可以得出正弦波的彩色云紋圖。形貌為平面時，在降溫的過程中其垂直于界面的拉應力較小且沿界面沒有突變。界面形貌為曲面時，在降溫的過程中其垂直于界面的拉應力較大且沿界面有突變。故平面比曲面好。

3.2 曲率影響的研究（幅值為定值）

提交分析任務后可以得出正弦波的彩色云紋圖，通過對比后，我們可以得出這樣的結論：界面形貌為幅值相同但波長不同的正弦波時。我們可以發(fā)現在波長為200um模型的云紋圖的色彩分布很集中，且應力明顯大于所得應力值。

由此我們可以得出以下的結論：界面形貌為幅值相同波長不同的正弦波， 得出在幅值相同的情況下， 陶瓷層中垂直于界面的拉應力的最大值隨著波長的增大而減小，是波長的縮短（幅值不變）都使形貌的曲率增加， 因此得出陶瓷層中垂直于界面的的拉應力的最大值隨著曲率的增加而增加。

4 總結

界面形貌為平面時，在降溫的過程中其垂直于界面的拉應力較小且沿界面沒有突變。界面形貌為曲面時，在降溫的過程中其垂直于界面的拉應力較大且沿界面有突變。故平面比曲面好。

界面形貌為幅值相同波長不同的正弦波， 得出在幅值相同的情況下， 陶瓷層中垂直于界面的拉應力的最大值隨著波長的增大而減小，是波長的縮短（幅值不變）都使形貌的曲率增加， 因此得出陶瓷層中垂直于界面的的拉應力的最大值隨著曲率的增加而增加。

涂層的界面形貌為幅值相同波長不同的正弦波相比較涂層界面形貌為高度不同的矩形波，涂層的殘余應力的分布更加的均勻，沒有出現較大的波動。這使得涂層在服役過程中應力集中的現象不會很明顯，可以使涂層的工作壽命的到很大的提高。

參考文獻：

[1]胡傳順，王福會，吳維.熱障涂層研究進展[J].腐蝕科學與防護技術，2000（05），第12卷第3期.

[2]徐惠彬，宮聲凱，劉福順等.航空制造工程[M]，1995.11.23

[3]于海濤等.熱障涂層研究現狀及其制備技術[J].稀土，2010.

作者簡介：程瑞鵬（1990-），男，陜西咸陽人，助教，研究方向：機械設計與制造、高等職業(yè)教育。