热障涂层通过为涡轮发动机的热端部件提供有效的高温热防护,从而提高其燃气温度和效率.典型的等离子喷涂热障涂层结构包括陶瓷层、氧化层、粘结层和金属基体.
等离子喷涂热障涂层在制备或高温热循环后的冷却过程中会出现分层和剥落失效现象[1-2],其分层通常发生在陶瓷层和氧化层界面[2-3]或在陶瓷层内但平行且非常靠近陶瓷层和氧化层界面处[1,4].高温热循环冷却后,由于热不匹配在陶瓷层产生较大的面内残余压应力[1,5-6],其数值可达到(450?50) MPa[5].陶瓷层材料的强度可达2 200 MPa[7],其面内残余压应力不足以使其发生强度破坏,故导致陶瓷层剥落失效的一个主要因素应是由于分层后的陶瓷层在较大的面内残余压应力作用下发生了屈曲[1,2,8].为认识热障涂层结构的失效机制进而预测热障涂层结构的使用寿命,需要研究分层后陶瓷层屈曲的临界条件及影响因素.由于陶瓷层分层的不规则性,本文考虑矩形和椭圆形分层2种情况.
1 分层后陶瓷层(边界固支单层板)屈曲的临界条件
1.1 矩形分层情况
设出现矩形分层后的陶瓷层面内各向同性,弹性模量为E,泊松比为T,厚度为t,所受面内残余压应力为Rx,Ry,矩形边长分别为2a,2b,边界为固支,在矩形中心建立坐标系,此时单层板所受外力px=-Rx#t,py=-Ry#t,中面内力Nx=Rx#t,Ny=Ry#t,Nxy=0.
1.2 椭圆分层情况
设出现椭圆形分层后的陶瓷层长半轴为a,短半轴为b,边界为固支,在椭圆中心建立坐标系.采用同样方法,取满足固支边界条件w =0,9w9n=0的屈曲挠度表达式
w(x,y) = Ax2a2+y2b2-12, (5)
得到临界尺寸2a与临界应力Rxcr的关系式
2a =2kE1-v2t-Rxcr. (6)
椭圆分层与矩形分层屈曲临界尺寸的表达式只相差倍数2 3P,可见材料常数相同时,矩形分层更易于屈曲.椭圆分层与矩形分层屈曲的临界条件的表达式类似,故下面仅对矩形分层屈曲进行分析和讨论.
2 分析与讨论
2.1 屈曲临界尺寸与临界应力的关系
取定陶瓷层分层形状和材料参数,如图1,可见陶瓷层屈曲临界尺寸2a与临界应力Rxcr的平方根的倒数成正比,即陶瓷层残余压应力越大,屈曲临界尺寸越小.典型情况下即热障涂层系统降温1 000e时,陶瓷层的残余压应力为300 MPa[9],屈曲临界尺寸为6.8 mm,这在尺度上与文献报道的数据.
2.2 陶瓷层弹性模量对屈曲临界尺寸的影响
高温热循环过程中陶瓷层会发生烧结现象,其弹性模量增大[1],故考虑陶瓷层弹性模量对屈曲临界尺寸的影响.陶瓷层屈曲临界尺寸2a与其弹性模量的平方根成正比.由图2可见,应力保持不变时,陶瓷层屈曲临界尺寸随其弹性模量的增大而增大.
2.3 陶瓷层厚度对屈曲临界尺寸的影响
由图3,陶瓷层屈曲临界尺寸2a与其厚度t成正比例关系,随厚度增大而呈线性增大.文献[4]指出,增加陶瓷层的厚度反而加速其剥落失效,结合这里的屈曲分析可知,陶瓷层厚度的增大,能明显促进分层扩展.
2.4 考虑屈曲的寿命预测
对于由屈曲导致剥落的情况,陶瓷层的屈曲临界尺寸决定了热障涂层结构的使用寿命.在给定的实验或使用条件下,一旦界面分层达到屈曲所限定的临界尺寸,陶瓷层就会发生剥落失效.因此,只要能够设法确定面分层裂纹的扩展速率或者规律,依据屈曲分析所确定的临界尺寸就可以预测热障涂层结构的使用寿命.
3 结论
1)陶瓷层屈曲临界尺寸与临界应力的平方根的倒数成正比,随其厚度增大而呈线性增长;
2)应力保持不变时,陶瓷层屈曲临界尺寸随其弹性模量的增大而增大;
3)陶瓷层矩形分层较椭圆形分层更易于屈曲;
4)只要能够设法确定界面分层的扩展速率或者规律,本文的屈曲分析可以用来预测热障涂层结构的使用寿命.
参考文献略
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