界面形貌对热障涂层残余应力影响的数值模拟

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1、l0．试验与研究．焊接技术第39卷第3期2010年3月文章编号：1002—025X(2010)03—0010—04界面形貌对热障涂层残余应力影响的数值模拟朱晨，刘杨，陈亚军，王志平(中国民航大学理学院，天津300300)摘要：利用ABAQUS有限元分析软件对热障涂层中的残余应力进行了模拟分析，研究了不同界面微结构及其尺寸(包括圆弧半径、高度)对平行和垂直于界面的残余应力最大值的影响、结果表明，界面形貌结构尺寸与热障涂层中的陶瓷层及粘结层界面残余应力有密切的关系．凹凸不平的界面将会使界面残余应力发生突变，界面形貌的曲率对残余应力的影响较大。这些结论为提高涂层界面结合强度提供了理论支持．也为热

2、障涂层界面的优化提供了指导。关键词：热障涂层；残余应力；界面形貌；数值模拟中图分类号：TG174．442文献标志码：B0前言1涂层结构与有限元模型的建立热喷涂涂层制备工艺可以针对工件的具体工作环1．1涂层结构境改善材料的表面性能，从而达到提高丁件隔热、以等离子弧喷涂热障涂层为研究对∞象∞，∞其们陶∞瓷∞层鲫∞∞加耐磨和耐腐蚀的目的，因此，在航空航天、石化及核(含(Y2O3)8％的ZrO)厚度为250m，结合层电站等高科技工程领域具有广泛的应用潜力。(Ni一22Cr—lOA1—1Y)厚度为100m。材料参数如典型的热障涂层结构由陶瓷层、粘结层和金属下：陶瓷层密度为5700kg／m，比热容为5

3、65J／(kg·基体组成，由于涂层与基体热膨胀系数、热导率不K)；粘结层密度为7320kg／m，比热容为583J／(kg·匹配等原因．当温度发生变化时涂层与基体会产生K)：其他材料参数(弹性模量E、热膨胀系数、粘形变。会在涂层内部产生残余应力，严重影响着涂结层屈服强度尺)随温度的变化曲线如图1所示。层的一些主要性能，如耐剥落性能、疲劳寿命-圾结合强度一3j等。长期在高温环境中工作和热冲击条件下，热障涂层往往会因此产生剥落失效。在热障涂层的制备过程中．过渡层表面毛化处理是形成涂层结合界面形态结构的关键因素。降低粘结层(BC)表面粗糙度，有利于减少应力集中，优化热应力分布。但是降低表面粗糙度就

4、会降低结合强度，温度／℃从而影响热障涂层(TBC)的使用寿命。解决该问题(a)弹性模量随温度的变化的基本途径是对界面结构形态影响应力分布的机制进18l7行系统研究。本文采用有限元分析软件ABAQUS模拟16譬15计算在降温过程中不同界面形貌的双层ZrO，／NiCrA1Y14耧13热障涂层的残余应力分布状态，为热障涂层界面的优12化及其加工工艺的设计提供更为全面的理论指导。羞t蓑109收稿日期：20o9—11-058基金项目：国家自然科学基金资助项目(60879018)温度／qc(b)热膨胀系数随温度的变化WeldingTechnologyVo1．39No．3Mar．2010试验与研究·11

5、，Y方向位移无变化)，另选左边界所有结点的方向位移同定。^_伽伽珊瑚姗㈣茎《囔：一唾厂＼／／～＼／温度／℃厂L厂＼一厂L厂L厂、(c)粘结层的屈服强度随温度的变化图1材料参数随温度的变化(1为陶瓷层。2为粘结层(a)平面界面形貌(b)样条曲面界面形貌1．2有限元模型(c)圆弧界面形貌(d)确定边长的方形界面形貌图3不同形状的界面形貌微观结构模型本文的研究对象为等离子弧喷涂热障涂层。由于基体的厚度尺寸远远大于粘结层和涂层的厚度尺寸，2数值模拟及分析且残余应力最大值在涂层和粘接层的界面上，故计算2．1界面为平面和曲面的残余应力状态对比模型只取粘接层和涂层r43，这样可以保证计算结果的图4是界面

6、为平面和曲面的残余应力分布状况。准确性。有限元计算模型见图2。分析过程中假设为曲面是在给定模型参数n和波动高度h的条件下．通完全弹性，不涉及塑性变形，而且材料为各向同性；过关键点拟合的样条曲线来模拟凹凸不平的曲面，取假定基体不产生热畸变、结合层和基体在界面处不产图2中0=800Ixm，h=50Ixm生相对滑动。在此次数值模拟中，首先对比界面形貌为平面和曲面的应力状态如图3a，b所示；其次，通过改变圆弧界面的半径来说明曲率的变化对于残余应力的影响如图3c所示；最后．通过模拟具有不同高度的方形形貌来测试形貌高度的影响．如图3d所示。图2界面为样条曲线的有限元计算模型由于垂直于横截面方向上的尺寸

7、相对于形貌周期的尺寸要大得多，因此这是一个平面应变问题。计算【b)界回为曲向的应力分布中以初末两态温度的变化作为涂层降温时的体力载图4应力分布图荷，以喷涂时基体加热后的控制温度(1000℃)作从图4中可看出，界面形貌为平面的涂层在降为热障涂层系统的自由应力状态(即初始状态)]，温过程中残余应力较小且沿界面没有突变，界面为计算模型在室温(20cc)时的残余应力，温度变化曲面时残余应力较大，在界面下凹处残余应力最大。为980