等离子工艺热障涂层的热疲劳分析.pdf

2008 年 2 月 第 3 卷 第 1 期 失效分析与预防 February 2008 Vol 3 No 1 收稿日期 2007 年 9月 20 日 修订日期 2007 年 12 月 21 日 作者简介 齐红宇 1969年 男 博士 副教授 主要从事高温结构及复合材料结构强度与寿命方面的研究 等离子工艺热障涂层的热疲劳分析 齐红宇 王亚梅 杨晓光 石多奇 周立柱 北京航空航天大学 能源与动力工程学院 北京 100083 摘 要 热障涂层作为先进的热防护技术 在航空发动机热端部件上有重要的应用 它与先进气膜冷却技术 先进单晶 合金材料技术并称为航空发动机涡轮叶片三大关键技术 为了保证发动机安全可靠地工作 研究并测试热障涂层的力学 参数和热疲劳特性是其工程应用的前提与基础 本文以等离子喷涂工艺制备的热障涂层为研究对象 利用共振原理和复 合梁理论 获得了热障涂层表层 陶瓷层从常温到 1150e 高温条件下的杨氏模量 同时 鉴于热障涂层的热疲劳失效模 式为剥落 着重对热障涂层的热疲劳特性进行研究 以带热障涂层的圆管试样为模拟件进行了热疲劳试验 试验载荷选 择50e 1050e 的梯形波 利用所测试的材料参数和有限元方法进行了热变形分析 提取了热疲劳寿命控制参量 对模拟 试样的热疲劳寿命进行了预测 结果显示 预测结果较为精确 关键词 热障涂层 杨氏模量 热疲劳 寿命 中图分类号 V215 1 5 4 文献标识码 A 文章编号 1673 26214 2008 01 20015204 Thermal Fatigue of Atmospheric Plasma Sprayed Thermal Barrier Coatings QI Hong2yu WANG Ya2mei YANG Xiao2guang SH I Duo 2qi ZHOU Li2zhu School of Jet P ropulsion Beijing University of Aeronautics and Astronautics Beijing 100083 China Abstract The thermal barrier coatings TBCs are used as protective coatings for aircraft and power generation gas en2 gine During the last few years this technology has been introduced to the hottest parts of gas turbine There are three ad2 vanced technologies for advanced aero 2engine the film cooling technology single crystal superalloys and TBCs The TBCs systems are multiplayer material systems The material properties are not easily determined such as Young s modu2 lus of the top2coating of TBCs Using the resonant frequency and the laminated plate theory the Young s modulus of APS TBCs was gotten from room temperature to 1150e Using a commercial finite 2element program the model geometry is that of a solid cylinder The interface region between bond coat and TBCs is modeled with a sinusoidal geometry The temperature was cycled over a range from 50eto 1050e The fatigue life of TBCs was predicated Key words thermal barrier coatings Young cs modulus thermal fatigue life 1 引言 鉴于航空发动机对可靠性的高要求 为确保 涂层安全有效的使用 要不断地改进其工艺和提 高涂层材料的性能 然而这仅是迈向工程应用的 第一步 为保证其服役安全可靠 还要进行现有 工艺条件下涂层的强度寿命研究 分析涂层强度 与寿命的前提条件是对涂层在给定载荷条件下的 应力2应变精确的分析 之后提取适当的强度与 寿命控制参数 分析应力2应变需要材料数据 而我国在热障涂层的材料数据方面的积累相对较 少 杨氏模量是材料的关键力学性能参数 对于 多层材料结构的杨氏模量的测试方法很多 如纳 米压痕法 1 弯曲梁法 2 以及拉伸法 3 而对于 热障涂层薄且脆的陶瓷层来讲 在高温条件下进 行测试 这些方法都有弊病和局限性 本研究通 过利用悬丝共振的方法测试了高温下我国现有工 艺条件制备的等离子热障涂层的杨氏模量 失效分析与预防第 3 卷 涂层剥落的主要原因是内部裂纹扩展与融 合 近几年国内外的相关研究着重于从断裂及损 伤的角度分析涂层的失效机理 并取得了有意义 的结论 4 5 另外还从微观失效机理开展研究 其研究对象针对氧化层 TGO 此方向是近期国 际研究的热点之一 5 6 本研究通过对管状试样热循环试验数据的分 析 运用商业 Marc 有限元方法模拟了实际高温 循环下的氧化层形貌 对热障涂层系统进行了温 度场分析及应力2应变分析 进而精确地预测了 热障涂层的寿命 对热障涂层的高温性能与热疲 劳特性进行了研究 具有重要的理论与工程应用 价值 2 试验研究 2 1 表层杨氏模量的测量 试样的基体为 1Cr18Ni9Ti 不锈钢 试验温 度范围为室温 1150e 运用共振测试原理与材 料力学复合梁理论 仅仅需要获得不同温度条件 下的共振频率即可获得表层2陶瓷层的杨氏模量 采用悬丝耦合共振法测量热障涂层的杨氏模 量 首先制备矩形截面的刚性杆作为载体杆 其 几何尺寸在 120mm 10mm 1mm 使用 MET2 CO 公司的 7M 型空气等离子喷涂系统喷涂试件 用工业丙酮对试件进行表面清理 去除油渍 并 经 SiC 喷砂处理后 对试件表面进行空气等离子 喷涂 试验结果见表 1 7 表 1 陶瓷层不同温度下的杨氏模量 Table 1 Young cs Modulus of top coating under different temperature Temperature e20100200300400 Youngcs Modulus GPa 62 5 59 6 55 7 50 3 44 9 Temperature e6008009001050 1150 Youngcs Modulus GPa 29 8 22 2 21 5 19 8 18 6 2 2 热疲劳试验 为模拟导向器叶片的薄壁结构 并考虑曲率 半径的影响 热疲劳实验采用圆管试样 基体材 料为定向结晶高温合金 DZ40M 试样表面采用 等离子热障涂层 其中粘结层厚度为 0 115mm 成分为Ni22Cr10Al1 0Y 陶瓷层厚度为0 251mm 成分为 8 Y2O3 ZO2 根据研究的需要 考虑到热疲劳损伤和氧化 损伤的同时作用 采用梯形波进行加载 这种加 载形式的结果也是为了以后用来验证寿命模型的 可靠性 梯形波的加热段设定为 2 5min 考虑 到某发动机一个典型的工作循环 保温段设定为 0 5min 冷却段设定为 4 5min 圆管试样热疲 劳载荷曲线如图 1 所示 共对三个试样进行了热 疲劳试验 其寿命分别为 430 次 350 次和 330 次循环 图1 圆管试样热疲劳载荷曲线 Fig 1 Thermal load of tube specimen with TBCs 3 寿命分析 3 1 有限元计算与分析 以试验用圆管试样为例 建立轴对称模型 为更精确地模拟热障涂层的实际表面形态 运用 正弦曲线模拟粘结层与陶瓷层之间的表面形态 有限元模型的局部放大如图 2 所示 有限元模型 共有 2142 个节点 2020 个四节点轴对称单元 有限元计算的陶瓷层材料数据利用本文测得 的杨氏模量 鉴于我国目前的材料性能数据比较 少 模型中所需的其它力学及有关热性能参数 包括泊松比 屈服应力 热传导率 热膨胀系 数等 主要参考国外文献的研究成果 8 进行模 拟试样的弹塑性分析 与实际试样相比 模型的 宽度较小 在此情况下两侧边界对整个应力场影 响很大 为避免边界效应 需要将模型一侧的节 点沿着 X 方向 轴向 位移固定 另外一侧通 过采用 Marc 的多点自由约束技术 保证边界节 点轴向位移协调变形 16 第 1 期齐红宇 王亚梅 杨晓光等 等离子工艺热障涂层的热疲劳分析 图 2 等离子涂层的局部有限元模型 Fig 2 Finite element mesh for TBCs with TGO 在热障涂层的热疲劳研究中 人们最关心的 是冷却阶段 因为热不匹配的影响主要体现在此 阶段产生的残余应力 经过有限元计算 在波 峰 中点以及波谷处的轴向应力与径向应力的分 布有明显不同 薄膜剥落失效的应力状态 残余轴向应力为 压应力 径向应力为拉应力 而对于热障涂层系 统的分层 也同样应该是拉应力作用在垂直于粘 结层 陶瓷层界面和粘结层或者氧化层 压应力 作用在涂层的轴向方向 9 10 在波峰处的这种应 力状态是氧化层失稳 屈曲和分层的典型应力 状态 可以断定在粘结层的波峰处是热障涂层的 危险部位 图 3 图中的 Rr和 Rz分别是模拟试 样沿壁厚的径向应力和轴向应力 图 3 冷却阶段氧化层界面的残余应力状况 Fig 3 Residual stress at interface during cooling 3 2 热疲劳寿命的预测 根据国外的热障涂层的研究成果 本研究采 用如下的疲劳寿命模型 4 N Ef0 E 1 D Dc c D D c cb 1 模型中的 b 7 64 Ef0 0 016 c 1 0 经过 计算 氧化厚度Dc 23 28Lm 11 有学者认为热障涂层的危险点处于 TBCs 系 统的粘结层 陶瓷层界面之间 9 如果假设粘结 层的表面形貌为正弦曲线 则也就是认为危险点 在粘结正弦曲线的波峰位置处 这与本研究的结 果是一致的 另外 有些学者认为轴向应变范围 是重要的疲劳控制参量 即高温热疲劳模型中应 变范围参数 10 本研究根据对涂层失效的破坏 分析 认为轴向应变是一个主要因素 而径向应 变的作用 从受力状态分析可以看出 径向应变 的存在有促使分层和屈曲发生的趋势 综上所述 热障涂层的寿命模型式的参数均 已确定 因此可以计算得到热障涂层的寿命 式 1 适用工况为单一循环载荷 对于多载荷条件 下的寿命预测可以引入累积损伤的概念 根据 Miner 线性累积损伤模型 假设在某种载荷作用 下一次循环造成的损伤为 Dm 1 Nm 则多载荷 工况下的损伤总计为 D E m 1 knm Dm E m 1 kn m Nm 2 式中 Nm代表某个载荷工况下的循环寿命 nm 为该工况下的循环次数 当累积损伤系数 D 1 时 表示涂层失效 根据以上的理论分析可以计算出寿命 试验 与预测寿命分别见表 2 本文所研究的针对氧化 层的应力2应变分析方案及对热疲劳寿命模型的 修正是比较合理的 由于验证的数据较少 因此 预测模型的可靠性还有待进一步检验 表 2 热疲劳试验与预测数值 Table 2 Testing and predicted life Testing life cyclePredicted life cycleRelative error 43035820 1 3503582 26 3303587 82 4 结论 1 室温 1150e 热障涂层表层2陶瓷层的杨 17 失效分析与预防第 3 卷 氏模量为 62 5 18 6GPa 2 根据带热障涂层涡轮叶片的几何和载荷 特点 设计了带涂层圆管模拟试样 开展了带涂 层圆管模拟试样的热疲劳试验研究 获得了相应 温度载荷条件下的热疲劳寿命 3 运用了有限元数值分析方法模拟了热障 涂层 TGO 的界面形貌特点 以瞬态温度场为边 界条件 计算获得了涂层的应力2应变数据 提 取了危险点的应变范围作为寿命控制参数 对涂 层的寿命进行了寿命预测 预测寿命最大相对误 差仅为 20 1 预测的结果较理想 合理 参考文献 1 D Chicot P Demarecaux Apparent interface toughness of substrate and coating couples from indentation tests J Thin Solid Fihns 1996 283 8 151 157 2 J A Thompson The effect of heat treatment on the stiffness of zirconia s top coats in plasma2sprayed tbcs J Acta Mate2 ria lia 2001 49 8 1565 1575 3 Qian Lihe Shijie Zhu Tensile damage evolution behavior in plasma2sprayed thermal barrier coating system J Surf ace and Coatings Technology 2003 173 34 178 184 4 A Peichl T Beck Behaviour of an EB 2PVD thermal barrier coating system under thermal2mechanical fatigue loading J Surf ace and Coatings Technology 2003 162 5 113 118 5 毕继鑫 孙宏飞 倪立勇等 Fe Cr 涂层抗高温氧化性能研究 J 失效分析与预防 2007 2 3 12 15 6 M Arai Y Okajima Mixed2mode interfacial fracture toughness for thermal barrier coating J Engineering F