等离子喷涂热障涂层冲蚀失效的量纲分析及有限元模拟

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1、学校代码10530学号201230101208分类号TB35密级硕士学位论文等离子喷涂热障涂层冲蚀失效的量纲分析及有限元模拟学位申请人齐莎莎指导教师周益春教授学院名称材料科学与工程学院学科专业材料科学与工程研究方向防护涂层制备及其应用二零一五年五月二十日DimensionalanalysisandfiniteelementsimulationsontheerosionprocessofplasmasprayedthermalbarriercoatingsCandidateShashaQiSupervisorProfessorYichunZhouCollegeSchool

2、ofMaterialsScienceandEngineeringProgramPreparationandApplicationofProtectiveCoatingsSpecializationMaterialsScienceandEngineeringDegreeEngineeringMasterUniversityXiangtanUniversitythDate20May,2015湘潭大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研巧所取得的研巧成果。除了文中特别加Ｗ标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经

3、发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡。献的个人和集体，均已在文中明确方式标明本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。三口作者签名：曰期：侣年午月曰＾／《学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部口或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湘潭大学可Ｗ将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可Ｗ采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：咬日期；之０化年斗月日导师签名：曰期；年

4、午月曰摘要热障涂层(Thermalbarriercoatings，即TBCs)技术由于能降低合金基底服役温度、提高发动机性能与热效率，已经成为航空发动机的关键热防护技术。服役时，涂层会受到燃烧室内各种杂质的撞击，从而发生冲蚀失效，这已成为制约其安全应用的关键问题。等离子喷涂(plasmaspraying)TBCs由于含有大量孔隙、微裂纹，几何结构极其复杂，使得其冲蚀性能的研究尤为困难。本文通过建立含随机分布缺陷的涂层模型，结合失效形式采用相应有限元方法模拟失效过程，并采用了量纲分析法重点分析了相关参数与冲蚀性能间的关系，最后建立了含均匀分布孔隙涂层的有限元模型进行对

5、比。本学位论文的主要研究内容如下：第一，建立含随机分布缺陷的等离子喷涂涂层的有限元几何模型。首先结合等离子喷涂制备工艺及陶瓷层微观结构对其冲蚀失效现象进行分析，对影响冲蚀性能的关键因素——层内缺陷进行简化；其次根据各软件的特点及优势，如MATLAB软件编写代码方便容易、ANSYS软件的命令流操作非常方便、ABAQUS软件可集中于结构力学和相关领域的研究，简单快捷地建立了等离子喷涂热障涂层的有限元几何模型。第二，结合涂层冲蚀失效形式，采用了不同有限元法进行模拟，并找出最佳方法。由于ABAQUS中没有陶瓷层的本构关系，因此需要借助其它方式模拟陶瓷层冲蚀失效，发现扩展有限元法

6、(XFEM)适合模拟在粒子冲蚀作用下陶瓷层内裂纹的扩展，脆性断裂准则(BrittleCracking)可用来模拟陶瓷层的破坏。结合冲蚀性能相关影响参数及制备工艺所需要的参考指标，发现脆性断裂准则最适合做更深入的研究。第三，通过改变陶瓷层内的孔隙相关参数，采用量纲分析法研究了孔隙对陶瓷层冲蚀性能的影响。将陶瓷层内孔隙率、孔隙大小、孔隙分布以及冲蚀粒子的速度等相关参数无量纲化，分析了在这些参数的影响下，陶瓷层内应力、能量及其被冲蚀掉的质量、产生的裂纹长度、表面凹坑的深度等无量纲量的变化。第四，建立了含均匀分布孔隙的等离子喷涂涂层的有限元模型，与含随机分布孔隙的涂层进行对比。

7、在克服了孔隙分布情况的干扰下，分析了孔隙半径、孔隙率、孔隙间距对涂层冲蚀速率的影响。本文通过对等离子喷涂TBCs冲蚀破坏过程的有限元模拟及量纲分析，找出了相关材料参数对陶瓷层冲蚀速率、破坏程度的影响，从而为预测涂层服役寿命、改进等离子喷涂制备工艺提高其抗冲蚀能力提供指导。关键词：等离子喷涂热障涂层；孔隙；冲蚀；有限元模拟；量纲分析IAbstractThermalbarriercoatings(TBCs)withthehightemperaturedurabilityandexcellentheatinsulationcanreduceth