基于单颗粒冲蚀的eb-pvd热障涂层失效机制的有限元分析

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1、学校代码10530学号201510131339分类号TB35密级公开硕士学位论文基于单颗粒冲蚀的EB-PVD热障涂层失效机制的有限元分析学位申请人金雨佳指导教师杨丽教授学院名称材料科学与工程学院学科专业材料工程研究方向材料测控技术与装备二零一八年五月FiniteElementAnalysisofFailureMechanismofEB-PVDThermalBarrierCoatingsBasedonSingleParticleErosionCandidateYujiaJinSupervisorProfessorLiYangCollegeFac

2、ultyofMaterialsScienceandEngineeringProgramMaterialControlTechnologyandEquipmentSpecializationMaterialsEngineeringDegreeEngineeringMasterUniversityXiangtanUniversityDateMay,2018摘要热障涂层(Thermalbarriercoatings，简称TBCs)因其耐热，抗氧化，耐蚀，耐磨性能好而被广泛用于航空发动机的热端部件。然而发动机在服役过程中会不可避免的受到来自外部或燃烧

3、室内部硬质颗粒的冲蚀作用，这一作用将会导致涂层提前剥落，影响叶片及发动机的整体性能。冲蚀作用对以物理气相沉积(ElectronBeamPhysicalVaporDeposition，简称EB-PVD)法制备的涂层影响更大，因此本文主要对EB-PVD热障涂层的冲蚀问题进行研究。由于影响涂层冲蚀失效的因素有很多，在实验上很难进行研究。为了简化问题，本文利用有限元方法建立了单颗粒冲蚀作用下的EB-PVD热障涂层冲蚀模型，模拟分析了不同影响参数对涂层冲蚀失效的影响，最终建立热障涂层冲蚀破坏机制图并给出热障涂层优化的建议。本文主要研究内容如下：第一，根

4、据EB-PVD热障涂层的结构特征建立ABAQUS有限元模型。根据其真实的结构特征，选用GTN模型来表示柱状晶，低密度泡沫模型来表示晶间间隙。对高温冲蚀下EB-PVD热障涂层产生的典型特征——拐弯带进行分析，结果表明：高温冲蚀下产生的拐弯带，其角度与冲蚀粒子能量之间可以近似拟合为线性关系；其长度与冲蚀能量之间也可以近似拟合为线性关系。第二，根据实验数据拟合的经验准则建立冲蚀失效机制图，从冲蚀粒子参数(冲蚀速度，角度等)和涂层柱状晶参数(如柱状晶宽度，柱状晶材料参数等)两大方面分析涂层的冲蚀结果，并分别建立不同参数影响下的涂层失效机制图。结果表明

5、：冲蚀粒子的速度越大，半径越大，入射角度越大，涂层越容易产生裂纹。角度对涂层开裂的影响是最小的。热障涂层自身的相关参数对于涂层的冲蚀失效也有影响，涂层柱状晶的宽度越小，晶间间隙的宽度越小，越容易产生裂纹。具有较小的杨氏模量和屈服强度的涂层更容易开裂。通过分析涂层的应力场总结出不同情况下的涂层开裂形式，分析对比这些材料参数对涂层抗冲蚀性能的影响。这些都将为热障涂层的工艺优化提供相应的依据。第三，根据可靠性方法，对影响涂层冲蚀失效的相关参数进行验证，并用敏感性分析方法评估了各个参数对热障涂层冲蚀失效的影响。结果表明：冲蚀粒子对涂层的冲蚀失效的影响

6、比涂层内部其他参数影响要大，这与之前在冲蚀失效机制图中得到的结论一致。关键词：热障涂层；冲蚀；有限元；机制图；可靠性评估IAbstractThermalbarriercoatings(TBCs)arewidelyusedinaeroenginesduetotheirexcellentperformanceonheatresistance,oxidationresistance,corrosionresistanceandwearresistance.However,theenginewillinevitablybesubjectedtothe

7、erosionofhardparticlesfromtheoutsideorinsidethecombustionchamberduringtheservicetime.Thiseffectwillcausethecoatingstopeeloffaheadoftimeandaffecttheoverallperformanceoftheengine.Theerosioneffecthasagreaterinfluenceonthecoatingspreparedbytheelectronbeamphysicalvapordeposition

8、(EB-PVD).Therefore,theerosionoftheEB-PVDthermalbarriercoatingsismainlystudiedinthi