等离子热障涂层高温氧化与热疲劳失效研究

admin · 发表于 2024-2-9 14:15:12

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随着涡轮发动机涡轮前温度的不断攀升，使热障涂层在涡轮叶片上得到了广泛的应用。但由于热障涂层自身性能的特点，还有热障涂层与涡轮叶片材料性能之间的差异，使热障涂层在高温工作的过程中会出现剥落失效等题目，从而导致涡轮叶片的最终失效，故为保证涡轮叶片的安全工作，必须引入对热障涂层的高温工作性能与失效的研究，对此，国内外的学者对热障涂层进行了大量的研究。但对于等离子热障涂层在不同氧化温度条件下的高温氧化行为的描述、热障涂层各层之间的界面形貌对涂层失效的影响方面还存在很多的不足，需要深入的进行研究。本文以等离子热障涂层高温氧化、热疲劳实验和有限元计算为基础，分别对影响热障涂层寿命的高温氧化、内壁换热系数、涂层各层之间的界面形貌和采用不同加热形式的热疲劳失效进行了研究，最终建立了一套研究等离子热障涂层热疲劳失效的整体方案，论文中的创新点和研究内容主要包括如下几个方面：（1）针对大气等离子热障涂层在不同高温环境中的氧化行为进行了研究，建立了不受氧化温度局限的描述等离子热障涂层氧化行为的动力方程，并且根据建立的动力方程首次从数学的角度推导出了等离子热障涂层发生氧化的最低临界温度。（2）利用适合于描述等离子热障涂层变形行为的Walker粘塑性本构程序，分析了不同无应力状态温度、涂层界面形貌等几种因素对热障涂层内部应力分布的影响规律，确定了等离子热障涂层内部裂纹萌生与扩展的控制参量。（3）以传统的曼森-柯芬理论为基础，把等离子热障涂层内部法向非弹性应变作为特征变量引入到等离子热障涂层热疲劳寿命公式，该寿命公式中既考虑了热障涂层危险部位的非弹性应变，又考虑了热障涂层的氧化对热障涂层热疲劳寿命的影响，该公式能较准确预测等离子热障涂层热疲劳剥落的失效寿命。本文建立的研究等离子热障涂层氧化的实验装置，可以精确的测定涂层氧化层的生长规律，确定的等离子热障涂层氧化动力方程能比较准确的描述不同氧化温度下氧化层生长规律。论文借助非线性有限元计算得到的热障涂层各层之间界面形貌对热障涂层疲劳失效的影响规律，可以指导热障涂层的生产工艺过程，从而获得性能较优的等离子热障涂层。

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