徐燕（寧夏大學(xué)新華學(xué)院 寧夏銀川 750021）

陶瓷/金屬熱障涂層多層圓筒模型的有限元研究

徐燕（寧夏大學(xué)新華學(xué)院 寧夏銀川 750021）

陶瓷/金屬梯度熱障涂層是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外材料科學(xué)最活躍的研究領(lǐng)域之一，由金屬和陶瓷復(fù)合成的梯度材料，需在保證隔熱效果的同時(shí)，使涂層具有更長(zhǎng)的使用壽命。故熱應(yīng)力的研究就顯得尤為重要。本文以陶瓷/金屬梯度熱障涂層多層圓筒模型為對(duì)象，用有限元法結(jié)合Anysis軟件對(duì)其溫度和熱應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行了理論計(jì)算和分析。

梯度熱障涂層；有限元；熱傳導(dǎo)；熱應(yīng)力

一種陶瓷/金屬熱障涂層的新型復(fù)合材料已經(jīng)大量應(yīng)用于我國(guó)航空航天事業(yè)的發(fā)展。常用的熱障涂層由金屬層和陶瓷層組成，但是陶瓷和金屬的熱膨脹系數(shù)及彈性模量等性能不匹配，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力過(guò)度集中，使得涂層開裂或剝落損壞、過(guò)早地失效，影響材料的使用壽命。為提高涂層的抗氧化性能和力學(xué)性能，本文以常見的內(nèi)燃機(jī)的汽缸套、排氣道等圓筒結(jié)構(gòu)為模型，借助Anysis仿真軟件對(duì)陶瓷/金屬梯度熱障涂層的有限元法進(jìn)行分析和研究，得出具有價(jià)值和意義的熱傳導(dǎo)效應(yīng)結(jié)果。

一、多層圓筒模型有限元方程

對(duì)于實(shí)際應(yīng)用中的圓筒結(jié)構(gòu)梯度涂層，在對(duì)多層圓筒進(jìn)行有限元分析時(shí)，常用以下方程式分析熱傳導(dǎo)和彈性分析，研究材料組成和微觀結(jié)構(gòu)沿圓筒的變化和材料的性能。

根據(jù)陶瓷涂層多層圓筒模型穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)的微分方程，利用有限元研究熱分析的理論基礎(chǔ)可推導(dǎo)得到陶瓷涂層多層圓筒模型有限元基本方程。

陶瓷涂層多層圓柱模型平面熱彈性平衡方程。由有限元研究FGM材料熱應(yīng)力的理論基礎(chǔ)可推導(dǎo)得到陶瓷涂層多層圓筒模型有限元基本方程。

二、不同涂層的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)

利用Anysis仿真軟件分別對(duì)陶瓷/金屬熱障涂層多層圓筒模型的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)設(shè)置相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行高仿真實(shí)驗(yàn)，研究隨溫度區(qū)間的變化和涂層厚度的變化，材料發(fā)生的相應(yīng)結(jié)果。

1.不同涂層的溫度場(chǎng)分析

涂層溫度區(qū)間為[0，3000]時(shí)，經(jīng)過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)針對(duì)三層、四層、五層梯度涂層及單層、雙層非梯度涂層溫度曲線結(jié)果，可以觀察出曲線規(guī)律大致相同，不同之處：（1）在圓筒內(nèi)壁即金屬基體低溫附近各溫度曲線均趨于平緩，在對(duì)應(yīng)點(diǎn)上三層、四層、五層梯度涂層溫度曲線上溫度值相同，單層、兩層非梯度涂層溫度曲線的溫度值相同，并且前者溫度值大于后者的溫度值。這是因?yàn)樘荻葘訜醾鲗?dǎo)系數(shù)大于陶瓷的熱傳導(dǎo)系數(shù)，加快了溫度的傳導(dǎo)。（2）在陶瓷高溫附近區(qū)域內(nèi)，在對(duì)應(yīng)點(diǎn)上，單層、兩層非梯度涂層溫度曲線的溫度值明顯大于三層、四層、五層梯度涂層溫度曲線的溫度值，且溫差較大，說(shuō)明三層、四層、五層梯度涂層可以在很薄的陶瓷層將溫度降低，隔熱效果更好；（3）單層、雙層非梯度涂層溫度曲線變化幅度大，基體界面處溫度梯度較大，而三層、四層、五層梯度涂層在基體界面處溫度梯度比較平緩，這是因?yàn)樘荻葘拥臒醾鲗?dǎo)系數(shù)介于金屬和陶瓷兩者熱傳導(dǎo)系數(shù)之間，而梯度層數(shù)的增加使得整個(gè)涂層熱傳導(dǎo)系數(shù)更連續(xù)，趨向梯度材料。比較各條溫度曲線可見涂層梯度層的增加可以加速降溫，且溫度場(chǎng)分布曲線變得趨于平緩，而隨著梯度層層數(shù)的增加，效果更明顯。

2.不同涂層的熱應(yīng)力分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示三層、四層、五層梯度涂層及兩層、單層非梯度涂層多層圓筒模型穩(wěn)態(tài)徑向熱應(yīng)力曲線圖。對(duì)比不同曲線，可以觀察出曲線規(guī)律大致相同，都在圓筒內(nèi)壁與涂層界面附近出現(xiàn)拉/壓應(yīng)力的峰值，它們的不同之處：（1）單層非梯度涂層的界面應(yīng)力峰值出現(xiàn)在圓筒內(nèi)壁和陶瓷涂層的交接面處，其大小為1.3Mpa，兩層非梯度涂層拉應(yīng)力峰值出現(xiàn)在粘結(jié)層與陶瓷界面附近，大小為1.17 Mpa，較單層非梯度涂層的界面應(yīng)力峰值??；（2）三層、四層、五層梯度涂層中拉應(yīng)力峰值出現(xiàn)在粘結(jié)層與梯度層界面上，其大小依次為0.92Mpa、0.72Mpa、0.69Mpa。對(duì)比以上數(shù)據(jù)可知拉應(yīng)力峰值明顯可得到改善，這是由于梯度層的存在使各個(gè)層之間物理參數(shù)的聚集而產(chǎn)生的應(yīng)力得到緩解，從此可以推斷出梯度層對(duì)界面處的熱應(yīng)力具有緩和作用。

三、不同厚度的梯度層

1.不同梯度層厚度涂層溫度場(chǎng)分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示梯度層厚度分別為0.2mm、 0.4mm、 0.6mm、0.8mm涂層溫度曲線。對(duì)比各條曲線可以觀察出曲線規(guī)律大致相同，不同之處：（1）在圓筒內(nèi)壁低溫附近區(qū)域內(nèi)溫度曲線趨于平緩，對(duì)應(yīng)點(diǎn)上的溫差不大；（2）在圓筒外壁高溫附近區(qū)域內(nèi)，在對(duì)應(yīng)點(diǎn)上，隨著梯度層厚度的增大，溫度逐漸降低，且溫差較大，說(shuō)明梯度層厚度的增大可以加速降溫，增加涂層的隔熱效果；（3）隨著梯度層厚度的增大，溫度曲線變化幅度減小，圓筒內(nèi)壁與涂層界面處溫度梯度較小。由此可見涂層梯度層厚度的增大可以加速降溫，且溫度場(chǎng)分布曲線變得趨于平緩。

2.熱應(yīng)力分析

對(duì)比梯度層厚度分別為0.2mm、 0.4mm、 0.6mm、0.8mm的涂層徑向熱應(yīng)力曲線，可以觀察出曲線規(guī)律大致相同，都在圓筒內(nèi)壁與涂層界面附近出現(xiàn)拉/壓應(yīng)力的峰值，它們的不同之處：（1）比較梯度層厚度分別為0.2mm、0.4mm、0.6mm的涂層徑向熱應(yīng)力曲線，可以發(fā)現(xiàn)隨著梯度層厚度的增大，粘結(jié)層與梯度層界面處的峰值逐漸減??；（2）但隨著梯度層厚度的繼續(xù)增加，當(dāng) 時(shí)，粘結(jié)層與梯度層界面處的峰值突增，且大于 時(shí)粘結(jié)層與梯度層界面處的峰值?？梢娞荻葘拥暮穸葘?duì)涂層X(jué)方向熱應(yīng)力有影響，梯度的厚度不可太厚或太薄，選取合適的厚度對(duì)涂層界面處的峰值才具有緩和作用。

四、本章小結(jié)

通過(guò)ANSYS模擬出的各個(gè)模型的圓筒內(nèi)壁與涂層界面處均表現(xiàn)出應(yīng)力劇烈增大的現(xiàn)象，這是由于陶瓷和金屬的熱膨脹系數(shù)及彈性模量等性能不相匹配而存在突變，產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。

1.涂層梯度層的增加可以加速涂層表面降溫，圓筒內(nèi)壁與涂層界面處的溫度梯度減小，溫度場(chǎng)分布曲線變得趨于平緩，且隨著梯度層層數(shù)的增加，效果更明顯。這是因?yàn)樘荻葘拥拇嬖谑垢鱾€(gè)層之間物理參數(shù)的聚集而產(chǎn)生的應(yīng)力得到緩解，由此可以推斷出梯度層對(duì)界面處的熱應(yīng)力具有緩和作用。

2.涂層梯度層厚度的增大可以加速涂層表面降溫，基體界面處的溫度梯度減小，溫度場(chǎng)分布曲線變得趨于平緩。當(dāng)梯度層厚度從0.2mm增加到0.6mm時(shí)，粘結(jié)層與梯度層界面處應(yīng)力峰值逐漸減小，當(dāng)厚度增加到0.8mm時(shí)界面處的應(yīng)力峰值劇增。

[1]王文權(quán).等離子噴涂納米陶瓷熱障涂層組織與性能研究:[博士學(xué)位論文].長(zhǎng)春:吉林學(xué),2005

[2]畢建華.基體條件對(duì)等離子噴涂Sm2Zr2O7/NiCoCrAlY功能梯度熱障涂層熱沖擊性能的影響,稀土，2012.8

10.19312/j.cnki.61-1499/c.2016.12.168

徐燕（1982--），畢業(yè)于寧夏大學(xué)數(shù)計(jì)學(xué)院應(yīng)用數(shù)學(xué)專業(yè)，碩士研究生學(xué)歷?，F(xiàn)任教于寧夏大學(xué)新華學(xué)院計(jì)科系；研究方向：數(shù)學(xué)教育、應(yīng)用數(shù)學(xué)。

寧夏大學(xué)新華學(xué)院科學(xué)研究基金資助