热障涂层残余应力的拉曼光谱测量及数值分析

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1、航空学报ActaAerOnauticaetAstronauticaSin／caFeb．252012V01．33No2369．374ISSN1000-6893ON11-1929／Vhttp：Hhkxb．buaa．edu．crlhkxb@buaa．edu．cn文章编号：1000—6893(2012)02—0369—06热障涂层残余应力的拉曼光谱测量及数值分析韩志勇*，张华，王志平中国民航大学天津市民用航空器适航与维修重点实验室，天津300300摘要：为了研究航空发动机热障涂层(TBCs)制备过程中残余应力的分布问题，采用大气等离子喷涂技术(APS)在镍基高温合金G

2、H99上制备了热障涂层(CoCrAIY粘结层和ZrO。陶瓷面层)，对热障涂层进行了100～3500cm-1激光拉曼光谱扫描，并采用有限元方法计算了与之对应的热障涂层有限元模型应力分布。分析了涂层系统内部轴向残余应力的分布情况并对比分析了激光拉曼光谱频移及有限元计算结果。激光拉曼分析结果表明：轴向陶瓷层内部呈现压应力，在陶瓷层／粘结层界面处应力达到最大值14．8MPa，粘结层内呈现拉应力；数值分析应力变化趋势与激光拉曼测试分析结果相吻合。关键词：热障涂层；拉曼光谱；拉曼频移；数值模拟；残余应力中图分类号：V254．2；TGl72．6文献标识码：A航空航天工业的迅

3、速发展对发动机的性能要求越来越高，为了使发动机得到高推重比和大推动力，其重要手段之一是提高涡轮前温度，解决方法之一是在叶片表面喷涂热障涂层[1。3]，热障涂层作为第4代防护涂层的代表，起隔热作用，可降低金属表面温度。目前先进陶瓷热障涂层能在工作环境下降低零件温度170℃左右[4]，从而使燃气轮机效率提高，使用寿命延长，是目前高温防护涂层中性能最佳、应用前景最好的表面防护涂层之一[5]。热障涂层技术已经成为近年来国际高温涂层领域最活跃的研究课题之一。自从美国Plasma—dyne公司成功地研制出了等离子喷涂设备之后，等离子喷涂法便被广泛应用于热障涂层的制备[6]

4、。实际应用的热障涂层大多采用双层结构：表层是以ZrO。为主的陶瓷层(ThermalCeramicCoating，TCC)，起隔热作用；陶瓷层与基体之间为MCrAlY粘结层(BondCoating，BC)，起改善基体与陶瓷涂层物理相容性的作用。但是，大气等离子喷涂(APS)制备热障涂层过程中，由于热障涂层各层材料热不匹配性，冷却过程中涂层中会产生残余应力，且应力分布常常是不均匀的，因而引起材料内部局部应力集中，严重时产生的局部裂缝或基体材料屈服或界面脱结合等缺陷口书1将导致材料不能达到原设计的力学性能。因此研究热障涂层残余应力的大小及分布有利于改进涂层制备工艺。

5、残余应力分布是评定热障涂层质量的一个重要指标，对此研究者们采用应变片、钻孔法、X射线衍射(XRD)等实验手段进行了大量的探索和研究。但是前两者与无损检测相比，破坏样品会导致涂层内部应力的重新分布，XRD法对距表面一定深度的信息采集具有局限性。由于激光拉曼光谱技术具有无损、无接触、空间分辨率高等优点，近年来，拉曼光谱技术已经在复合材料的界面收稿日期：2011—10—12；退修日期：2011—11—03；录用日期：2011—11-14；网络出版时间：2011．12．0210：32网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．2

6、0111202．1032．006．htmlDOI：CNKI：11．1929／V20111202．1032．006基金项目：国家自然科学基金(60879018)*通讯作者Tel：022．24092518E．mail：zyhan@cauc．edu．ci3弓I用格武

7、HanZY，ZhangH，WangZP．StudyofresidualstressofthermalbarriercoatingsbyRamanspectroscopyandnumericalanalysis．ActaAeronaut／caetAstronaut／caSinfca．2012。33(2)：

8、369-374．韩志勇．张华，壬志平．热唪涂层残余应力的拉曼光谱穗量及数值分析．航空学报．2012，33(2)：369—374航空学报研究中做出了杰出的贡献，在复合材料微观力学方面的研究尤为突出[9-13]。以有限元计算为基础的计算机数值模拟技术在应力模拟仿真研究中迅速发展，Bialas[14]、Teixeira[151和Russell[163采用有限元法研究分析了热障涂层中残余应力分布。Busso等采用计算机软件展开了热障涂层系统的寿命预测口引。美国国家航空航天局(NASA)对双层系统热障涂层的失效模式做了广泛的研究[18

9、，结果表明，失效的特点是陶瓷层剥落

10、，发生所谓的“白色”失效，即裂纹在TC