徐 燕
(寧夏大學新華學院,寧夏 銀川 750021)
陶瓷熱障涂層作為一種新型的有著廣泛應用前景的復合材料,主要工作于高溫環(huán)境下保護金屬基體,但是普通熱障涂層,其陶瓷與基體的物理性能的不匹配和突變,將會在界面上產(chǎn)生極大的熱應力。這種熱應力在界面會引起裂紋出現(xiàn)和擴展,導致熱障涂層從基體剝落。功能梯度熱障涂層采用梯度化分布陶瓷與金屬組元,對由于物理性能突變所引起的熱應力有緩和作用,有效增強了界面強度。近年來,為了提高內(nèi)燃機的可靠性,人們在其金屬部件的表面噴涂陶瓷梯度涂層,利用陶瓷的耐高溫和金屬的韌性好等優(yōu)良屬性分別滿足熱負荷和機械負荷的要求。因此,本文以ZrO2-NiCrAlCoY功能梯度多層平板模型的涂層為研究對象,通過 ANSYS 有限元軟件模擬分析梯度層層數(shù)和梯度層中NiCrAlCoY的含量對熱應力的影響,這一研究成果為該涂層優(yōu)化設計和制備提供數(shù)據(jù)支持[1]。
工程實際問題中常見的內(nèi)燃機的汽缸蓋、活塞、氣閥以及工業(yè)爐的爐門等的陶瓷熱障涂層可以簡化為多層平板模型。該模型以Cu為基體,涂層表層為Zr2O,NiCrAlCoY作為粘結底層材料,過渡層由NiCrAlCoY和Zr2O的粉末按一定比例混合而成。并且過渡層逐漸由金屬過渡到最外表面的陶瓷層(Zr2O),從基體到涂層表面Zr2O含量逐漸增多,NiCrAlCoY的含量逐漸減少,表現(xiàn)出良好的成分梯度分布。為了便于比較應力的大小,涂層的總厚度全部取同樣的厚度0.8mm,平板模型的基體厚度取為2mm,長度為20mm,寬度為4mm。各種涂層的各層成分、尺寸及物性參數(shù)可參照表1、表2。
表1 各種平板涂層成分表
在空間直角坐標系下,平板模型的熱傳導微分方程、變形幾何方程和靜力平衡方程分別表示為:
其中T表示溫度, k表示熱傳導系數(shù),εij為應變張量,μi為位移向量,σij為應力張量,ib為體積力向量。
熱傳導問題的定解條件包括邊界條件和初始條件。其邊界條件有如下三種類型:
其中,1s,s2,和分別為第一、第二和第三類邊界,T為1s上給定的邊界溫度,q s為s2上給定的熱流密度,T f和h為3s接觸的環(huán)境的溫度及與環(huán)境的換熱系數(shù)。
對于各向同性材料,{q}=?k?T,故法向熱流密度qn簡化為:
熱傳導問題的初始條件為:
其中0T是初始溫度,它可以是空間坐標的函數(shù)。
由有限元理論基礎推導得到平板模型有限元基本方程為:
在直角坐標系下,平板模型的平衡方程表示為:
由有限元理論基礎推導得到有限元基本方程為:
對模型施加邊界條件,基體最底面施加溫度載荷為25°C(即室溫),涂覆梯度涂層最頂端的表面施加3000°C的溫度載荷。圖1給出了三層、四層、五層梯度涂層及單層、雙層非梯度涂層的溫度分布隨層數(shù)的變化關系曲線圖。對比不同曲線,可以觀察出變化關系大體一致,不同之處:①在基體低溫附近區(qū)域內(nèi)溫度曲線趨于平緩;②在陶瓷高溫附近區(qū)域內(nèi),非梯度涂層溫度明顯高于多層梯度涂層溫度,且溫差較大,說明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非梯度涂層溫度分布在基體界面處溫度梯度較大,而梯度涂層在基體界面處溫度梯度比較平緩,這是因為梯度層的熱傳導系數(shù)介于金屬和陶瓷兩者熱傳導系數(shù)之間,而梯度層數(shù)的增加使得整個涂層熱傳導系數(shù)更連續(xù),趨向梯度材料。由此可見涂層梯度層的增加可以加速降溫,且隨著梯度層層數(shù)的增加,效果更明顯[2,3]。
圖2 給出了三層梯度涂層溫度分布隨梯度層中NiCrAlCoY體積含量的變化關系曲線圖。從圖2觀察到在基體低溫附近區(qū)域內(nèi)溫度曲線趨于平緩;在陶瓷高溫附近區(qū)域內(nèi),隨著梯度層中NiCrAlCoY體積含量的增大,溫度逐漸降低,說明梯度層中NiCrAlCoY含量的增大可以加速降溫,增加涂層的隔熱效果,這是因為隨著梯度層中NiCrAlCoY含量的增大,梯度層的熱傳導系數(shù)更接近金屬基體的熱傳導系數(shù)。
圖2 溫度隨梯度層中NiCrAlCoY體積含量的關系
圖3 給出了三層、四層、五層梯度涂層及單層、雙層非梯度涂層的熱應力隨層數(shù)的變化關系曲線圖。從圖3觀察到:①單層非梯度涂層的界面應力峰值出現(xiàn)在基體和陶瓷的交界面處,大小為1.99Mpa,兩層非梯度涂層拉應力峰值出現(xiàn)在粘結層與陶瓷界面附近,大小為1.78 Mpa,較單層非梯度涂層的界面應力峰值?。虎谌龑?、四層、五層梯度涂層中拉應力峰值出現(xiàn)在粘結層與梯度層界面上,其大小依次為1.67Mpa、1.51Mpa、1.45Mpa。對比以上數(shù)據(jù)可知拉應力峰值明顯可得到改善,這是由于梯度層的存在使各個層之間物理參數(shù)的聚集而產(chǎn)生的應力得到緩解,從此可以推斷出梯度層對界面處的熱應力具有緩和作用。
圖4 給出了三層梯度涂層熱應力隨梯度層中NiCrAlCoY體積含量的變化關系曲線圖。從圖4觀察到在涂層粘結層與梯度層界面附近出現(xiàn)拉/壓應力的峰值。但隨著梯度層中NiCrAlCoY含量的增多粘結層與梯度層界面處的峰值逐漸減小,可見,隨著梯度層中NiCrAlCoY含量增大,界面處的應力峰值得到改善,這是因為隨著梯度層中NiCrAlCoY含量增大,梯度層的物性參數(shù)更接近金屬基體的物性參數(shù),尤其是熱膨脹系數(shù)更接近,這使得各個層之間物理參數(shù)的聚集而產(chǎn)生的應力得到緩解,由此可以推斷出梯度層中NiCrAlCoY含量對界面處的熱應力具有緩和作用[4,5]。
圖4 熱應力隨梯度層中NiCrAlCoY體積含量的關系
基于有限元研究FGM材料傳熱和熱應力的理論依據(jù),本文利用了ANSYS仿真軟件模擬分析了陶瓷/金屬梯度涂層多層平板模型梯度層數(shù)和梯度層中NiCrAlCoY的體積含量對溫度及熱應力的影響,得到了以下主要結論。
(1)涂層梯度層的增加可以加速涂層表面降溫,基體與涂層界面處的溫度梯度減小,且隨著梯度層層數(shù)的增加,效果更明顯;梯度層層數(shù)的增加對界面處的熱應力起到緩和作用。
(2)涂層梯度層中NiCrAlCoY體積含量的增加可以加速涂層表面降溫,且溫度場分布曲線變得趨于平緩;梯度層中NiCrAlCoY體積含量對界面處的熱應力具有緩解作用。