毕业论文（设计）冷却孔附近热障涂层的应力及失效分析

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1、冷却孔附近热障涂层的应力及失效分析摘要气膜冷却和热障涂层的联合使用是对燃气轮机叶片及燃烧室等热端部件进行热防护的有效措施。冷却孔附近由于主流燃气和冷却气体的混合，形成复杂的温度场和较大温度梯度，进而产生因热障涂层系统各层间热失配造成的热应力，导致涂层剥落失效。此外，冷却孔的边缘产生应力集中，更易造成热障涂层的过早开裂。本文建立了三维有限元模型，对热障涂层十基体系统进行热力计算，并且采用了内聚力模型，对陶瓷层和粘结层界面进行失效分析。关键词热障涂层；冷却孔；气膜冷却；失效。0前言随看燃气轮机进口温

2、度和压力的不断提高，涡轮叶片及燃烧室等热端部件材料所需承受的温度和温度梯度不断增加。因此，在不断发展新型高温材料以适应更高工作温度的同时，还需采用相应的冷却和隔热措施来对热端部件进行热防护［1］。气膜冷却和热障涂层的联合使用能够有效避免热端部件直接暴需在高温燃气中，保证材料高温性能，提高使用寿命［1］。气膜冷却是冷却气体从热端部件表面冷却孔喷出并在壁面形成气膜，使壁面与高温燃气隔离，进而保护热端部件的措施。气膜冷却的示意图如图1所示［2,3］。气膜冷却大大减少了燃气与壁面的换热，并带走壁面上一部

3、分高温燃气的辐射热量，达到隔热和冷却的双重效果。热障涂层(thermalbairiercoatings,TBCs)是涂覆在基体表面起隔热作用的陶瓷涂层。热障涂层具有较低的热导率，在涂层上下两面会产生较大的温差，可以有效降低基体温度。热障涂层一般具有三层结构，即陶瓷层(topcoat).粘结层(bondcoat)和中间的高温热循环条件下产生的热生长氧化层(thennallygrownoxide,TGO)［4］o高温燃气Tg冷却气体心图1气膜冷却示意图热障涂层在高温热循环下易出现过早剥落失效，这严重

4、限制了热障涂层的应用［4］。界面开裂和陶瓷层内部纵向开裂是热障涂层失效的两种主要形式。陶瓷层与热氧化层、粘结层与热氧化层Z间的界面开裂受各层之间的热膨胀失配、热氧化层生长应力、粘结层相变、界面粗糙度等因素的综合影响［5］。在热循坏过程中，界面顶端部位会产生微裂纹，微裂纹会随界面进行扩展，最终各微裂纹与陶瓷层内部缺陷或微孔洞聚合，形成较大尺度的宏观裂纹。界面裂纹到达一疋长度后，会与陶瓷层内部的纵向裂纹聚合，最终使陶瓷层剥落［5］。国内外许多学者对热障涂层的失效机制进行了大量的研究。Evans［6］

5、研究了涂层在热梯度下的开裂机制，提出了沿界面开裂失效進则。Ranjbar-Far［7］通过有限元模拟研究了材料属性及界面粗糙度对热障涂层应力分布的影响。Beck［8］等人通过大量实验观测，提出了基于现象的热障涂层寿命预测模型。该模型给出了热循环次数、热氧化层厚度、界面形貌及材料参数等因素与裂纹长度的关系。ZhangL9J等人借助扩展有限元的方法研究了陶瓷层表面纵向开裂行为，并考虑了界面粗糙度对其开裂的影响。热循环载荷作用下，热障涂层受各种因素综合影响导致最终剥落失效。而在实际的应用屮，热障涂层涂

6、于燃烧室火焰筒内壁、涡轮叶片等表面，所处的环境更加复杂恶为。尤其是在冷却孔附近，冷却气体和高温燃气进行混合，形成非常复杂温度场和温度梯度，使热障涂层各层之间、涂层与基体之间产生热失配应力，容易造成热障涂层的失效［1（）,11］。另外，ZhuL12J等人的研究表明热失配应力更容易在涂层样品的边缘聚集，使涂层在边缘更易开裂。因此在冷却孔周围，热障涂层受冷却孔几何结构彫响更易开裂。为了预测和提高热障涂层在实际应用中的使用寿命，有必要对处在复杂环境中尤其是在冷却孔附近的热障涂层进行应力和失效分析。众多针

7、对热障涂层失效的研究集屮在常规的冷却系统上［5-9,12］,很少有学者研究冷却孔周圉的热障涂层的失效。Kim［10,11］等人初步研究了涂层及基体的材料参数对冷却孔附近的热障涂层的温度和应力的影响，并用Larson-Miller法对涂层进行简单的寿命预测。但是他们只关注热障涂层与基体间的热失配，并没有考虑热障涂层各层间的热失配应力。然而热障涂层界面开裂是涂层系统失效的重要原因，因此有必要更多地关注热障涂层内部的应力及失效。本文在Kim［10,ll］等人的研究基础上，建立了含陶瓷层和粘结层双层结构

8、的热障涂层+基体系统的三维有限元模型，采用Cho,Goldstein［8,9］和KimlllJ等人的实验数据作为热边界条件，对热障涂层+基体系统进行热力分析，并考虑蠕变对应力分布的影响。此外，本文采用内聚力模型（cohesivezonemodel）［13］,对陶瓷层和粘结层界面进行失效分析。1有限元模型本文在Kim［6,7］等人的研究基础上，建立了热障涂层+基体系统的三维有限元模型，进行燃烧室火焰筒壁冷却孔附近的热障涂层应力和失效分析。考虑到冷却孔的对称性和周期性排布，只选取单个冷却孔的附近区域