等离子喷涂8YSZ热障涂层沉积过程累积应力的数值模拟

论文摘要

本文以8% wtY2O3-ZrO2/NiCoCrAlY热障涂层为研究对象,针对圆筒表面涂层沉积过程建立模型,运用有限元分析软件ANSYS模拟了不同陶瓷层厚度与不同喷涂路径下涂层逐道沉积过程中的温度波动和应力累积,探讨了陶瓷层厚度与喷涂路径对涂层制备过程中的累积应力和喷涂结束涂层系统冷却至室温后应力分布的影响。结果表明,喷枪沿圆筒轴线往复扫描制备热障涂层过程中,涂层基体与粘结层界面及粘结层与陶瓷层界面的温度随喷枪移动周期性大幅波动,这种快速热冲击会在涂层中产生相应的应力波动。基体与粘结层界面的轴向拉应力随涂层厚度的累积先增大后减小最后再增大,粘结层与陶瓷层界面的轴向拉应力随涂层厚度的累积先增大后减小。两个界面的径向拉应力均随涂层厚度的增加而增大,剪切应力值在零附近波动。粘结层厚度为120pm,陶瓷层厚度为240μm的热障涂层冷却至室温后,最大轴向压应力存在于陶瓷层表面,最大轴向拉应力出现在基体与粘结层界面,最大径向压应力出现在靠近粘结层的基体边缘,最大剪切拉应力位于陶瓷层与粘结层界面边缘。基体与粘结层界面及粘结层与陶瓷层界面的应力沿圆筒轴线波动,轴向应力σx是主要应力形式。基体与粘结层界面的轴向应力σx随陶瓷层厚度的增加逐渐增大。喷枪沿圆筒轴线往复扫描制备粘结层厚度为120μm,陶瓷层厚度分别为120μm、240μm、360μm、 480μm的热障涂层,喷涂结束涂层系统冷却至室温后,基体与粘结层界面轴向应力σx分别在10MPa、85MPa、150MPa、200MPa附近波动。陶瓷层厚度对粘结层与陶瓷层界面及陶瓷层表面的轴向应力σx影响不大。随陶瓷层厚度取值的增加,最大轴向压应力先增大后减小,最大径向拉应力逐渐增大,最大剪切应力显著增大。基于热障涂层奇数层与偶数层沉积道间的夹角,设计了三种喷涂路径：逐行扫描、往复扫描和变向往复扫描。往复扫描和变向往复扫描路径下涂层温度波峰的间距比逐行扫描路径下涂层温度波峰间距小,变向往复扫描路径下涂层温度随时间波动的相邻峰值差较小,故应力值比另外两种路径小。三种路径下获得的涂层系统冷却至室温后应力分布大致相同,变向往复扫描路径下获得的涂层最大轴向应力和最大径向应力最小,涂层边缘应力集中最弱,因此,变向往复扫描路径是最理想的喷涂路径。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 等离子喷涂涂层应力
• 1.2.1 等离子喷涂涂层形成过程
• 1.2.2 涂层应力的产生机理
• 1.2.3 涂层应力的影响因素
• 1.3 涂层应力的数值模型
• 1.3.1 双层模型
• 1.3.2 增层模型
• 1.3.3 随机沉积模型
• 1.4 涂层应力研究中存在的问题
• 1.5 本课题的研究内容和研究意义
• 1.5.1 研究内容
• 1.5.2 研究意义
• 第二章 模型与计算方法
• 2.1 模型建立
• 2.1.1 几何模型
• 2.1.2 物理模型
• 2.1.3 涂层材料的选取
• 2.2 数值计算
• 2.2.1 计算方程
• 2.2.2 网格划分
• 2.2.3 边界条件与计算过程
• 第三章 热障涂层累积应力有限元分析
• 3.1 涂层沉积过程中的应力累积
• 3.1.1 基体与粘结层界面的应力累积过程
• 3.1.2 粘结层与陶瓷层界面的应力累积过程
• 3.2 试样喷涂完毕冷却至室温后的应力分布
• 3.2.1 涂层轴向应力分布
• 3.2.2 涂层径向应力分布
• 3.2.3 涂层剪切应力分布
• 3.3 试样喷涂完毕冷却至室温后各界面的应力分布
• 3.3.1 基体与粘结层界面的应力分布
• 3.3.2 粘结层与陶瓷层界面的应力分布
• 3.3.3 陶瓷层表面的应力分布
• 3.4 本章小结
• 第四章 陶瓷层厚度对涂层累积应力的影响
• 4.1 喷涂过程中的应力累积过程
• 4.1.1 温度随涂层厚度增加的变化
• 4.1.2 应力随涂层厚度增加的变化
• 4.2 陶瓷层厚度对试样冷却至室温后应力的影响
• 4.2.1 陶瓷层厚度对轴向应力的影响
• 4.2.2 陶瓷层厚度对径向应力的影响
• 4.2.3 陶瓷层厚度对剪切应力的影响
• 4.3 陶瓷层厚度对涂层各界面轴向应力的影响
• 4.3.1 陶瓷层厚度对基体与粘结层界面轴向应力的影响
• 4.3.2 陶瓷层厚度对粘结层与陶瓷层界面轴向应力的影响
• 4.3.3 陶瓷层厚度对陶瓷层表面轴向应力的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 喷涂路径对涂层累积应力的影响
• 5.1 不同喷涂路径下涂层沉积过程中的应力累积
• 5.1.1 喷涂路径对涂层沉积过程中温度波动的影响
• 5.1.2 喷涂路径对涂层沉积过程中应力累积的影响
• 5.2 喷涂路径对试样冷却至室温后应力的影响
• 5.2.1 喷涂路径对轴向应力的影响
• 5.2.2 喷涂路径对径向应力的影响
• 5.2.3 喷涂路径对剪切应力的影响
• 5.3 喷涂路径对涂层各界面轴向应力的影响
• 5.3.1 喷涂路径对基体与粘结层界面轴向应力的影响
• 5.3.2 喷涂路径对粘结层与陶瓷层界面轴向应力的影响
• 5.3.3 喷涂路径对陶瓷层表面轴向应力的影响
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文