1、熱障涂層沖蝕失效的機(jī)理淺析,2011年10月小組討論,,,,1. 研究背景——沖蝕概念與重要性,2,匯報(bào)內(nèi)容,2. 熱障涂層的沖蝕破壞機(jī)理——理論分析,3. 熱障涂層的沖蝕破壞機(jī)理——試驗(yàn)方法,4. 熱障涂層的沖蝕研究——工作設(shè)想,3,1953年，美國(guó)的NASA-Lewis研究中心提出了熱障涂層(thermal barrier coatings，簡(jiǎn)稱TBCs)概念。,N. N. Padture, M. Gell, E. H. Jorda

2、n. Science, 2002, 296: 280-284.,熱障涂層是航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)高溫環(huán)境部件的關(guān)鍵材料！,Click to add Text,耐高溫耐熱震保護(hù)高溫部件減少燃油消耗延長(zhǎng)器件壽命,1. 研究背景——熱障涂層(TBCs)概念,4,周益春, 劉奇星, 楊麗, 吳多錦, 毛衛(wèi)國(guó). 固體力學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 31(5):504-531.,金屬基底材料,金屬基底材,,熱障涂層的失效是航空工業(yè)的致命威脅,5,沖蝕(Er

3、osion)失效——外來粒子損傷(FOD),,,,,,,外來粒子：外環(huán)境以及燃燒室的 雜質(zhì),X Chen, A. G. Evans, J. W. Hutchinson, et al. Mat. Sci. Eng. A, 2003, 352:221-231,6,沖蝕失效研究目的與難點(diǎn),沖蝕破壞機(jī)理,關(guān)鍵因素,分析方法,沖蝕機(jī)理研究的困難：1. 實(shí)驗(yàn)上：沖蝕設(shè)備 粒子的速度、尺寸、沖擊方向…

4、TBCs的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及損傷的檢測(cè)方法2. 理論上：不同大小、速度、方向的粒子反復(fù)動(dòng)態(tài)沖擊響應(yīng)3. 有限元模擬,7,兩種TBCs的沖蝕失效研究現(xiàn)狀,研究現(xiàn)狀：1. 國(guó)內(nèi)：關(guān)于熱障涂層沖蝕的實(shí)驗(yàn)與理論研究幾乎沒有；2. 國(guó)外：實(shí)驗(yàn)設(shè)備 理論+有限元——針對(duì)EBPVD TBCs(陳曦、Fleck),8,2. 熱障涂層的沖蝕破壞機(jī)理——失效模式,,,X. Chen, A. G. Evans, J. W. Hutchins

5、on, et al. Wear, 2004, 256:735-746N. A. Fleck, Th. Zisis. Wear, 2010, 268:1214-1224,方式 I: 動(dòng)彈性區(qū)(elasti-dynamic regime) 小粒子、低速度,9,方式II:準(zhǔn)靜態(tài)彈性壓痕(quasi-static elastic indentation) 中粒子、中速,10,,,Kind ban

6、d,方式III：準(zhǔn)靜態(tài)塑性壓痕(plastic quasi-static indentation) 大粒子、高速,delamination,11,2. 熱障涂層的沖蝕破壞機(jī)理——理論分析,X. Chen, A. G. Evans, J. W. Hutchinson, et al. Wear, 2004, 256:735-746X. Chen, J. W. Hutchinson. J. Mech. Phys.

7、Solids, 2002, 50:2669-2690X Chen, A. G. Evans, J. W. Hutchinson, et al. Mat. Sci. Eng. A, 2003, 352:221-231,,,,失效準(zhǔn)則,,,12,參數(shù)無量綱化：,,,,定值,13,外來粒子與陶瓷層碰撞時(shí)，發(fā)生能量交換：,引入無量綱的時(shí)間：,14,有限元模擬——模型與邊界條件,邊界條件：,有限元計(jì)算參數(shù)：,材料性質(zhì)：理想彈塑性,TBC：高度為

8、hTBC直徑為d，間隙為g的圓柱組成,15,,,,,,定值,16,17,抗力指標(biāo)——模式I,1.塑性區(qū)在陶瓷層內(nèi)產(chǎn)生分層裂紋的條件：,B. R. Lawn, Fracture of Brittle Solids,Cambridge University Press, Cambridge, 1993,18,,,,抗力指標(biāo),2.塑性區(qū)達(dá)到TGO層：,19,抗力指標(biāo)——模式II,,裂紋擴(kuò)展準(zhǔn)則：,,抗力指標(biāo),20,抗力指標(biāo)——模式III,,簡(jiǎn)

9、化成I型裂紋，此時(shí),21,,22,交變載荷作用下，裂紋擴(kuò)展：,裂紋擴(kuò)展準(zhǔn)則：,抗力指標(biāo)：,,23,小結(jié)：,1.通過無量綱參數(shù)的選取，利用有限元模擬找出決定沖蝕失效的主要因素是沖擊能。2.建立了三種失效方式下沖蝕失效的抗力指標(biāo)。,基本的參數(shù)分析+有限元模擬,24,N. A. Fleck, Th. Zisis. Wear, 2010, 268:1214-1224,2. 熱障涂層的沖蝕破壞機(jī)理——理論分析,1. 動(dòng)彈性區(qū)(elasto-dy

10、namic regime),b,25,運(yùn)用牛頓第二定律，并積分：,粒子的速度變化：,最大穿透深度：,動(dòng)彈性區(qū)持續(xù)時(shí)間：,26,2. 準(zhǔn)靜態(tài)彈性壓痕區(qū)(quasi-static, elastic indentation),,運(yùn)用牛頓第二定律，并積分：,,,27,3. 準(zhǔn)靜態(tài)塑性壓痕區(qū)(plastic quasi-static indentation),平均接觸應(yīng)力：,壓痕深度為 的壓力為：,運(yùn)用牛頓第二定律，并積分：,,28,F

11、leck的模型發(fā)現(xiàn)：,解析解是否正確？,借助有限元模擬來檢驗(yàn),29,有限元模擬——模型與邊界條件,29,邊界條件：,有限元計(jì)算參數(shù)：,材料性質(zhì)：理想彈塑性,TBC：高度為hTBC直徑為d，間隙為g的圓柱組成,30,模擬結(jié)果表明，解析解與數(shù)值解在三種情況下都吻合得非常的好！,31,熱障涂層沖蝕的破壞機(jī)制圖,2. 準(zhǔn)靜態(tài)彈性壓痕區(qū),1. 動(dòng)彈性區(qū),3. 準(zhǔn)靜態(tài)塑性壓痕區(qū),32,各個(gè)區(qū)的極限值,1. 動(dòng)彈性區(qū),2. 準(zhǔn)靜態(tài)彈性區(qū),粒子速度非常

12、大，使得應(yīng)變率非常高的情況下，考慮應(yīng)變梯度后，假設(shè)：,,33,破壞機(jī)制圖,34,小結(jié)：,1.對(duì)三種區(qū)域進(jìn)行了解析解，用有限元方法進(jìn)行了驗(yàn)證，并建立了沖蝕破壞機(jī)制圖；2.相對(duì)于陳曦的工作，優(yōu)勢(shì)在于給出了解析模型；2.陳曦的三個(gè)抗力指標(biāo)則給TBCs工藝的改進(jìn)提供了一定的指導(dǎo)。,都只適用于EB-PVD TBCs！,35,關(guān)于APS-TBC沖蝕的分析,等離子噴涂TBCs沖蝕速度模型：,B. Z. Janos, E. Lugscheider,

13、 P. Remer. Surf. Coat. Technol., 1999,113:278-285,36,3. 工作設(shè)想——熱障涂層沖蝕機(jī)理,1. APS和EBB-PVD TBCs模型的聯(lián)系,,,,,37,2. APS和EBB-PVD TBCs模型的區(qū)別,EB-PVD TBCs,APS TBCs,柱狀晶,層狀,38,APS的微觀結(jié)構(gòu)不能用柱狀晶簡(jiǎn)化？解析模型的適用性？有限元模擬？,39,3. 遺留的熱障涂層沖蝕機(jī)理,顆粒特別小，速度

14、特別低的粒子作用TBCs后使得覆蓋在陶瓷層的表面，形成一層軟的疏松層，堵塞冷卻氣口,沖蝕疏松層的形成比陶瓷層的剝落更危險(xiǎn)??！但到目前為止，國(guó)內(nèi)外暫沒有相關(guān)文獻(xiàn)。,40,4. 熱障涂層的沖蝕破壞機(jī)理——試驗(yàn)方法,關(guān)鍵問題：,試驗(yàn)裝置粒子大小、速度、方向的控制與測(cè)量,合二為一,3. 涂層沖蝕過程的表征： 稱重、測(cè)厚、SEM,原位、無損、實(shí)時(shí)檢測(cè)很困難,結(jié)合自身，突出——試驗(yàn)裝置,41,R. Vaβen, F. Cernuschi

15、, et al. adv. Eng. Mater. 2008, 10:907-921,1. 法國(guó)——Turbomeca burner rigs,,沖蝕顆粒,42,2. 德國(guó)——FZ Jülich,平板狀試樣,圓柱狀試樣,,顆粒,43,R. W. Bruce. Tribol. T., 1998,41(3):399-410,44,周洪,李飛等.上海交通大學(xué),ZL200610024973.4,45,成來飛,張立同等.西北工業(yè)大學(xué),Z