唐家鵬，李志永

（1中北大學機電工程學院，太原 030051；2北京航空航天大學，北京 100083）

0 引言

近年來，隨著航空燃氣渦輪機向高流量比、高進口溫度方向發(fā)展，燃燒室中的燃氣溫度和壓力也不斷提高。目前，燃氣溫度已接近2000 K，隨著對飛機高推重比的不斷追求，如此高的溫度是現(xiàn)在高溫合金所不能滿足的，而熱障涂層的應用在很大程度上延伸了高溫合金使用的溫度范圍［1］。

熱障涂層作為一種有效的熱防護技術，以其使用方便、效果顯著而受到越來越多的重視。從熱障涂層出現(xiàn)到現(xiàn)在其制造工藝日趨完善，已逐步由實驗室研究階段進入到使用階段，目前，熱障涂層被廣泛的應用于航空發(fā)動機和能源工業(yè)中，尤其是在航空發(fā)動機的渦輪葉片中普遍應用［2］。采用熱障涂層技術，可以在保持原有設計的基礎上減少用作葉片冷卻的空氣量，因此可以提高整個發(fā)動機的推力。

1 有限元分析模型

熱障涂層系統(tǒng)是一種多層結構，一般包括基體、金屬粘結層、隔熱陶瓷層，以及在涂層制備和使用過程中在粘結層與陶瓷層之間產生的熱氧化層。文中研究的有限元模型的各層材料的定義為：陶瓷層為粘塑性；氧化層為彈性；粘結層為彈塑性；基體為彈塑性，各層的材料參數(shù)都是溫度相關?；w材料為K423 A，該合金是在K423合金基礎上研制的鎳基鑄造高溫合金；粘結層材料為Ni22Cr10Al；氧化層材料為Al2O3；陶瓷層材料為Zr O2。

1.1 有限元模型結構

根據(jù)渦輪葉片涂層的工作特點，建立了圓管型的有限 元 模 型［3－4］，其 中 基 體 內 徑 為 6 mm，壁 厚 為2 mm。熱障涂層涂覆在圓管的表面來承受溫度載荷的作用，圓管內部通入冷卻空氣來進行降溫，粘結層厚度為0.1 mm，陶瓷層厚度為0.15 mm。由于模型的對稱性，從試件的中部的一個截面上取氧化層的半個波長來進行研究，試件結構和有限元模型如圖1所示。

1.2 模型的邊界條件

由于模型的對稱性，在建立的有限元模型（圖1（c））的左側邊界上施加軸向（x方向）的固定位移約束，由于試件在工作過程中，承擔工作載荷的主要是基體，所以在模型的右邊界上施加與基體變形相同的位移約束，熱障涂層的隔熱降溫效果一般在100℃左右，故在建立模型時，模型的內外邊界采用固定溫度的邊界條件，模型外表面溫度為1050℃，內表面溫度為950℃。

圖1 涂層試件模型

2 熱障涂層應力分析

2.1 不同初始無應力狀態(tài)溫度對涂層內應力的影響

在熱障涂層的有限元分析中，假設一個初始的無應力狀態(tài)溫度，處于此溫度狀態(tài)時，涂層內部不存在殘余的應力，這個溫度與制造涂層的工藝相關，研究中對不同的無應力狀態(tài)溫度對涂層內部的應力分布與變化規(guī)律進行了研究。

為研究與觀察的方便，取模型的右邊界上從模型內壁到外壁路徑上的節(jié)點為研究的對象，可以很明顯的觀察到熱障涂層的隔熱效果，如圖2所示。

觀察圖中的溫度曲線并對照模型中的節(jié)點可知，在距模型內表面大約2.1 mm的位置開始，溫度梯度發(fā)生了急劇變化，而這個位置是隔熱陶瓷層與氧化層的界面位置，基體中的溫度變化相對于隔熱陶瓷層中的變化要平緩的多，這種現(xiàn)象正是熱障涂層能對基體產生隔熱效果的直觀體現(xiàn)。

圖2 模型徑向溫度分布

由于熱障涂層中的初始裂紋一般首先發(fā)生在陶瓷層與氧化層的界面處，所以下面主要針對這個界面處的最大法向應力進行分析討論，有限元計算結果表明：模型中陶瓷層在室溫狀態(tài)下界面最大法向應力為負值（如圖3（a）），并且隨著無應力狀態(tài)溫度的不斷升高，應力的絕對值以二次曲線形式逐漸升高。相反，在高溫狀態(tài)下界面處的應力隨無應力狀態(tài)溫度的不斷升高以二次曲線形式逐漸降低。因為對于裂紋的萌生與擴展來說，負的法向應力不會起作用，所以要研究不同的無應力狀態(tài)溫度對陶瓷層內裂紋的萌生與擴展的影響，需要研究高溫狀態(tài)下的熱障涂層，從圖3（b）所示的角度出發(fā)，可以認為較高的無應力狀態(tài)溫度對于陶瓷層內裂紋的萌生與擴展是有限制作用的。

圖3 陶瓷層法向應力隨溫度變化曲線

2.2 不同氧化層厚度對涂層內應力的影響

氧化層對熱障涂層的失效有很重要的作用，一般情況氧化層的厚度不會超過10μm。本次研究中所選用的氧化層厚度范圍基本涵蓋了從熱障涂層制備時氧化層的厚度到氧化層達到臨界厚度的整個厚度范圍，涂層在制備之初的氧化層厚度一般為1μm左右，所以選取1μm的氧化層厚度為研究的初始值。無應力狀態(tài)溫度選取400℃。

有限元計算所得的應力分布情況與所研究的無應力狀態(tài)下的分布一致，陶瓷層與氧化層界面危險點處的最大法向應力隨氧化層厚度的變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 陶瓷層法向應力隨氧化層厚度變化曲線

從圖4可以看出，隨著氧化層厚度的增加，室溫狀態(tài)下法向應力數(shù)值呈線性減小，應力為負值。在高溫狀態(tài)下應力為正值，并且隨氧化層厚度的增加呈二次曲線形勢逐漸減小，從曲線上看似乎是氧化層的厚度越厚陶瓷層中的應力會越小，但是由于氧化層的生長本身會引起體積上的變化，致使氧化層生長在涂層中會產生附加的應力，這個應力一般小于1 GPa，但是對材料性能的影響卻非常的明顯，本次研究中沒有考慮氧化層增厚過程中體積變化引起的應力，所以不能說為了使涂層的抗疲勞性能更佳而采用較厚的氧化層涂層，如果從氧化層厚度方面考慮提高涂層的工作性能而要在涂層的制備工藝過程中獲得適宜的氧化層厚度，則需要綜合考慮上述氧化層兩種因素對涂層內應力的影響。

3 結論

文中利用非線性有限元分析軟件MSC.Marc對渦輪葉片等離子熱障涂層進行了較全面的分析，得到以下結論：

1）陶瓷層中危險部位的法向應力在室溫狀態(tài)下處于壓應力狀態(tài)，在高溫狀態(tài)處于拉應力狀態(tài)，而對于裂紋的萌生與擴展壓縮應力不起作用。

2）無應力狀態(tài)溫度對涂層在整個工作過程中的應力分布有較大影響，溫度的增加會使陶瓷層危險部位的法向應力呈二次曲線形式逐漸的減小，也就是說在涂層的制備過程中適當?shù)奶岣咧苽錅囟?，從而使涂層的壽命可以相應的得到提高?/p>

3）熱障涂層內危險部位的法向應力在高溫狀態(tài)時，應力隨氧化層的厚度逐漸增加呈二次曲線的形式逐漸的降低，因此適當增加氧化層的厚度對提高涂層的壽命是有利的。

［1］ 魏洪亮.渦輪葉片／熱障涂層結構分析方法及界面破壞研究［D］.北京：北京航空航天大學，2007.

［2］ Sheffler K D.Current stat us and f uture trends in tur bine application of ther mal barrier［J］.Jour nal of Engine for Gas Turbine and Power，1988，110（4）：605－609.

［3］ 姚國鳳，馬紅梅，王曉英，等.熱障涂層界面形貌尺寸與殘余應力的關系［J］.金屬熱處理，2005，30（10）：43－46.

［4］ 李志永，鮑蕊，張建宇，等.換熱系數(shù)對熱機耦合作用下熱障涂層性能的影響［J］.航空動力學報，2008，23（5）：946－951.