热机械疲劳条件下基于不同模型的热障涂层TGO皱褶行为模拟研究.pdf

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1、学校代码：10286分类号：V2密级：公开UDC：620学号：151787热机械疲劳条件下基于不同模型的热障涂层TGO皱褶行为模拟研究（应用研究）研究生姓名：张尧导师姓名：刘玉付张寿春申请学位类别工程硕士学位授予单位东南大学工程领域名称材料工程论文答辩日期2018年6月1日研究方向陶瓷涂层学位授予日期2018年6月1日答辩委员会主席涂传政评阅人涂传政王继刚2018年6月1日硕士学位论文热机械疲劳条件下基于不同模型的热障涂层TGO皱褶行为模拟研究专业名称：材料工程研究生姓名：张尧导师姓名：刘玉付本论文获国家自然科学基金(11372072)资助。NUM

2、BERICALSTUDYOFTGORUMPLINGBEHAVIORINTHERMALBARRIERCOATINGSUNDERTHERMOMECHANICALFATIGUE:COMPARISONOFDIFFERENTMODELSAThesisSubmittedtoSoutheastUniversityFortheProfessionalDegreeofMasterofEngineeringBYZhangYaoSupervisedbyProf.LiuYufuSchoolofMaterialsScienceandEngineeringSoutheastU

3、niversityJune2018东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：日期：东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所（含万方数据）、国家图书馆、《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社有限公司有权保留本人所送交学位论文的复印

4、件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括以电子信息形式刊登）论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布（包括以电子信息形式刊登）授权东南大学研究生院办理。研究生签名：导师签名：日期：摘要摘要热障涂层(Thermalbarriercoatings,TBCs)被广泛应用于航空发动机热端部件的热防护，有效的提高了部件的工作温度和效率，延长了热端部件的使用寿命。典型的热障涂层系统包括陶瓷层(TBC)、热致生长氧化物层(TGO)、粘

5、结层(BC)和高温合金(SUB)。热生长氧化物层会随着热障涂层的服役不断发生几何形貌和化学成分的演变，对热障涂层内部应力和使用寿命有着十分重大的影响。本文在三维建模软件SOLIDWORKS中建立了包括TGO、BC和SUB的热障涂层系统的二维和三维模型，基于商用有限元软件ABAQUS，开发了能够模拟TGO生长的子程序。在二维模型中研究了材料参数、计算方法、机械载荷、热机械相位角对热障涂层TGO皱褶的影响；在三维模型中研究了材料参数、机械载荷对TGO皱褶的影响。对比分析二维、三维有限元计算模型和多层连续体解析解模型结果，探明多层连续体力学解析解的适用范

6、围。论文的主要结论如下：（1）在广义平面应变条件下计算得到的二维有限元结果与三维有限元结果相近。（2）当BC层在1423.5K时的热膨胀系数α-5BC=2.1×10/K，BC层蠕变满足幂次模型系数A=1.35×10-10，横向生长应变εg=0.00038时，有限元模型的计算结果与解析解相近。各材料参数对TGO皱褶的影响表现为：平行和垂直于加载方向的TGO振幅均随着BC层的热膨胀系数的增大而增大；平行和垂直于加载方向的TGO振幅均随着生长应变的增加而增大，但是当生长应变εg≥0.00038时，垂直于加载方向的TGO振幅几乎不再发生变化；TGO皱褶对B

7、C层蠕变幂次模型系数A的变化并不敏感。（3）在二维模型中研究了热机械相位角对TGO皱褶的影响。在外加拉力的作用下：当相位偏移60º时TGO振幅最大，当不发生相位偏移时TGO振幅最小，并且随着外加拉力的增加，这种变化趋势被逐渐放大；在外加压力的作用下：当相位偏移120º左右时TGO振幅最小，当相位偏移300º左右时TGO振幅最大，并且随着外加拉力的增加，这种变化趋势被逐渐放大。（4）当-60MPa≤σmax≤60MPa时，在有限元模拟中，TGO皱褶表现出轻微的正交各向异性。而在解析解中，TGO皱褶并无表现出正交各向异性特征；当σmax≥60MPa时，

8、随着外加拉力的增大，平行于加载方向的TGO振幅减小，垂直于加载方向的TGO振幅增大。在解析解中，随着外加拉力的增大，TGO