TGO非均匀增长对热障涂层应力演化和破坏机理的影响

发布时间：2024-07-02 21:30

　　采用内聚力模型和热生长氧化层(TGO)非均匀增长子程序,数值模拟了在热循环载荷作用下热障涂层(TBC)内部应力演化规律和开裂行为。涂层失效过程首先是源自陶瓷层(TC)内近波峰位置的拉伸和切应力共同主导的陶瓷层Ⅰ、陶瓷层Ⅱ混合型裂纹;随着循环数增加,则转向由TC内近波峰位置的切应力主导的Ⅱ型裂纹和波峰波谷中间的涂层厚度方向拉伸应力主导的Ⅰ型裂纹。整体非均匀增长和波谷均匀增长模式下的最大拉伸应力经过一定循环数后几乎不再随循环数而增加;而在波峰均匀增长和整体均匀增长模式下,最大拉伸应力则会随着循环数增加持续增长。整体非均匀增长、波谷非均匀增长模式下,20个循环后最大切应力出现在近波峰位置,分别为-162.41 MPa和-154.28 MPa;而整体波峰均匀增长和整体均匀增长模式下,最大切应力为-113.82 MPa和-111.98 MPa。对于波谷均匀增长和整体非均匀增长模式,在9个循环后出现界面裂纹。而对于波峰均匀增长和整体非均匀增长模式,在第17个循环出现界面裂纹。

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【部分图文】：

图21050℃TGO增长曲线

其中K和n为经验常数。相关的试验研究结果表明[17],非均匀增长模式下TGO各个位置的生长参数如下:①波峰:K=4.5h-n,n=0.176;②波谷:K=2.08h-n,n=0.109。而氧化层平均增长速率可表示为:K=2.9h-n,n=0.158[29]。在1050....

图3TC内y方向应力S22分布情况

由于TC的失效大多是由于横向裂纹的萌生和扩展引起,而横向裂纹的扩展与涂层厚度方向(即图1中y方向)的拉伸应力和切应力有关,因此本文首先考察氧化层均匀增长模式下热不匹配和TGO氧化增长对TC内部y方向应力S22和切应力S12分布的影响。由于TBC内部各层间的材料参数差异较大,当温度....

图4TC内切应力S12分布情况

可发现在氧化增长的初期,由于TGO生长速度较快,会导致TC内部的y方向拉伸应力急剧增加。而随着循环数的增加,TGO氧化生长的速率趋于平缓,应力增长的速度也开始下降。通过有限元模拟可发现热不匹配应力只占TC内y方向拉伸应力的很小一部分,因此TC内的横向裂纹主要由TGO的氧化生长应力....

图5不同TGO生长模式下y方向位移分布情况

2.2不同氧化增长模式下TBCs的失效分析图3、图4的结果建立在TGO均匀增长的假设之上,然而研究表明TGO增长速率会受到TC-TGO界面曲率的影响,其波峰到波谷处的TGO增长速率均不相同。为研究不同氧化增长模式对TBC内部应力分布和失效的影响,本文建立了4种不同的氧化增长模型....

本文编号：4000040