王 旭，石秋生，李廣榮，楊冠軍

(西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049)

0 前 言

隨著航空工業(yè)的發(fā)展，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能要求越來(lái)越高。先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)效率和安全性都有極高要求。發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)匣靜子部件與葉間轉(zhuǎn)子部件的間隙過(guò)大會(huì)嚴(yán)重降低發(fā)動(dòng)機(jī)的效率[1]。賴(lài)師墨等[2]研究表明，高壓渦輪葉間間隙增加76 μm，飛機(jī)的單位油耗增大約1%。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗費(fèi)用約占其運(yùn)行費(fèi)用的50%，此外，葉尖與渦輪或機(jī)匣間隙過(guò)大會(huì)導(dǎo)致漏氣，產(chǎn)生的油料損失約為發(fā)動(dòng)機(jī)整體耗油量的10%～40%[3]。葉尖與機(jī)匣的間隙也不能過(guò)小，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際服役過(guò)程中，隨著工作溫度的升高，葉片會(huì)產(chǎn)生熱膨脹而伸長(zhǎng)，另外，由于葉片始終處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，葉間尖端也會(huì)在離心力的作用下有一定的伸長(zhǎng)量。因此葉片與機(jī)匣之間的間隙會(huì)逐漸減小。若葉片與鈦合金機(jī)匣發(fā)生相互摩擦，則容易發(fā)生“鈦火”而造成重大事故。此外，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中若有過(guò)多熱量伴隨富氧氣流傳遞至鈦合金機(jī)匣內(nèi)部，也會(huì)造成“鈦火”現(xiàn)象。

為了解決上述問(wèn)題，需要運(yùn)用封嚴(yán)和隔熱技術(shù)來(lái)制備阻燃可磨耗封嚴(yán)復(fù)合涂層。該復(fù)合涂層體系從上到下的結(jié)構(gòu)依次為可磨耗面層、隔熱層、粘接層?？赡ズ拿鎸佑糜跍p少高溫氣流從間隙泄露，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率[4，5]。而隔熱層的存在避免了鈦合金基體暴露于高溫?zé)崃髋c富氧氣流中[6]。對(duì)于阻燃可磨耗封嚴(yán)涂層這種具有多孔結(jié)構(gòu)的復(fù)合涂層來(lái)說(shuō)，成分差異較大，兩涂層之間幾乎不存在成分?jǐn)U散，而是以機(jī)械結(jié)合為主。如何提高界面結(jié)合強(qiáng)度一直是科研人員關(guān)注的焦點(diǎn)?？赡ズ拿鎸佑苫?、自潤(rùn)滑相和一定數(shù)量的微小孔洞組成，自潤(rùn)滑相為軟相使得可磨耗面層的本征強(qiáng)度較低。隔熱層一般選用具有高熔點(diǎn)、低熱導(dǎo)率及高穩(wěn)定性的氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯制備。研究表明，復(fù)合涂層的力學(xué)性能主要取決于界面附近的結(jié)構(gòu)，包括陶瓷隔熱層表面的粗糙度，界面附近可磨耗面層的孔隙率、孔隙結(jié)構(gòu)等。復(fù)合涂層的失效形式以界面處整體剝落以及可磨耗面層在界面處附近斷裂為主。因此，研究界面結(jié)合強(qiáng)度的影響因素極為重要，是開(kāi)展抗開(kāi)裂涂層設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

本研究圍繞可磨耗面層和隔熱層界面處的結(jié)合強(qiáng)度來(lái)開(kāi)展。采用內(nèi)聚力模型[8]模擬了裂紋在界面整體開(kāi)裂的過(guò)程中粗糙度對(duì)于結(jié)合強(qiáng)度的影響。模擬依據(jù)是復(fù)合涂層在界面處結(jié)合強(qiáng)度低，在實(shí)際服役過(guò)程中失效易在此處發(fā)生。由于可磨耗面層具有多孔結(jié)構(gòu)和自潤(rùn)滑軟相，以及可磨耗面層用于封嚴(yán)涂層的作用機(jī)理，即可磨耗涂層是通過(guò)摩擦磨損涂層自身來(lái)維持最小氣路間隙以提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能，使得可磨耗面層在服役過(guò)程中極易產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展，因此采用相場(chǎng)法[9]描述了裂紋在面層內(nèi)擴(kuò)展并最終斷裂的過(guò)程。據(jù)此，本工作利用以上2 種模擬方法，確定了不同物理參數(shù)對(duì)于結(jié)合強(qiáng)度的影響，揭示了其失效機(jī)制，從而指導(dǎo)抗開(kāi)裂涂層的設(shè)計(jì)，對(duì)制備高強(qiáng)度的隔熱可磨耗封嚴(yán)復(fù)合涂層具有重要意義。

1 可磨耗面層/隔熱層斷裂力學(xué)研究

1.1 內(nèi)聚力模型法

內(nèi)聚力模型(Cohesive Zone Model)主要用于研究界面整體剝離行為[10]。在可磨耗封嚴(yán)涂層體系中，可磨耗面層與隔熱層界面是剝落發(fā)生的主要位置。本節(jié)采用內(nèi)聚力模型研究界面處粗糙度對(duì)結(jié)合強(qiáng)度的影響。

1.1.1 內(nèi)聚力模型計(jì)算方法

內(nèi)聚力模型是有限元方法之一，用來(lái)描述界面進(jìn)行整體分離的過(guò)程，該方法消除了裂紋尖端奇異性[11]。內(nèi)聚力模型是基于損傷力學(xué)，設(shè)置局部點(diǎn)應(yīng)力的最大值，超出該極值即發(fā)生斷裂、損壞或失效[12]。在使用內(nèi)聚力模型模擬裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展時(shí)，通過(guò)綁定約束使得Cohesive 單元兩側(cè)的單元位移與應(yīng)力協(xié)調(diào)。Cohesive 單元有12 個(gè)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)單元徹底失效時(shí)，單元中間層一分為二，即產(chǎn)生了幾何上的不連續(xù)性[13]。應(yīng)用Cohesive單元模擬復(fù)合材料失效時(shí)有2 種模型:一種是基于牽引-分離(Traction-Separation)進(jìn)行描述，另一種是基于連續(xù)體描述。在基于牽引-分離的描述的方法中，常采用雙線性本構(gòu)模型。雙線性本構(gòu)模型包含材料達(dá)到強(qiáng)度極限之前的線彈性階段與材料達(dá)到強(qiáng)度極限后剛度發(fā)生線性降低的軟化階段。

1.1.2 內(nèi)聚力模型及邊界條件

由可磨耗面層與隔熱層組成的復(fù)合涂層中，金屬基可磨耗面層沉積在隔熱層上。模型建立如圖1 所示，模型的上半部分為可磨耗面層，材料參數(shù)依照NiCrAl-膨潤(rùn)土進(jìn)行設(shè)置，下半部分為氧化鋯隔熱層。界面處的隔熱層基體表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為余弦函數(shù)曲線，通過(guò)改變余弦函數(shù)曲線的周期λ和振幅A控制界面粗糙度的數(shù)值。在具體網(wǎng)格劃分中，選取由物理場(chǎng)控制的自由三角形網(wǎng)格，界面附近網(wǎng)格密度較大。

圖1 內(nèi)聚力模型-界面幾何模型結(jié)構(gòu)意圖Fig.1 The cohesive zone model-structural intention of interface geometry model

在內(nèi)聚力模型中，模型的下方保持固定，左右兩側(cè)都設(shè)置為無(wú)約束，同時(shí)在上方施加拉伸載荷。界面的剝離屬性設(shè)置為混合模式開(kāi)裂準(zhǔn)則，采用基于位移損傷的內(nèi)聚力模型，牽引分離定律設(shè)置為線性。

1.1.3 內(nèi)聚力模擬結(jié)果與討論

在多孔結(jié)構(gòu)與自潤(rùn)滑軟相共同作用下，復(fù)合涂層界面處的結(jié)合強(qiáng)度較低，容易在界面處發(fā)生整體剝落。圖2 為不同粗糙度界面拉伸的載荷-位移曲線。由圖可知，隨著粗糙度的增加，界面所能承受的最大載荷也逐漸增加。無(wú)粗糙度的平整界面所能承受的最大載荷最低，為10.0 N。界面粗糙度為30 μm 時(shí)，可承受的最大載荷為16.0 N。這是由于當(dāng)涂層無(wú)損傷時(shí)，隨著界面粗糙度的增加，界面有效接觸面積也增大，從而結(jié)合強(qiáng)度提高。

近年來(lái)，太陽(yáng)能的應(yīng)用與普及、草坪綠地面積的不斷增長(zhǎng)，促使割草機(jī)行業(yè)不斷改進(jìn)和更新。目前，市場(chǎng)上銷(xiāo)售的割草機(jī)大都用柴油或汽油提供動(dòng)力，并靠人力推動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)操作，雖然可以完成對(duì)大面積草坪的修整，但存在污染環(huán)境、勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全性低和噪音大等缺點(diǎn)。如有操作者緊握割草機(jī)扶手，在摔倒時(shí)割草機(jī)壓到操作者的腳上而造成人身傷害。為了解決以上存在的問(wèn)題，研制了太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)遙控移動(dòng)割草裝置，以太陽(yáng)能作為動(dòng)力源，并采用遙控操作運(yùn)動(dòng)方式，可以控制整機(jī)的前后、轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，并能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切割以及收集操作，綠色環(huán)保，安全高效。

圖2 不同粗糙度界面拉伸的載荷-位移曲線Fig.2 Load-displacement curves of interface tensile with different roughness

1.2 相場(chǎng)法

內(nèi)聚力分析結(jié)果表明，隨著界面處的粗糙度增加，可磨耗面層與隔熱層的結(jié)合強(qiáng)度更好。因此，可以通過(guò)提高界面粗糙度來(lái)提高體系的結(jié)合強(qiáng)度。此外，由于可磨耗面層的本征強(qiáng)度較低，當(dāng)界面強(qiáng)度提高時(shí)，開(kāi)裂位置由界面向面層內(nèi)部轉(zhuǎn)變。試驗(yàn)結(jié)果也表明，裂紋擴(kuò)展以及斷裂的主要位置在靠近界面處的面層內(nèi)部，說(shuō)明界面粗糙度仍是影響面層內(nèi)部斷裂的因素，而相場(chǎng)法能夠較好地描述裂紋的不定向擴(kuò)展行為。

1.2.1 相場(chǎng)法計(jì)算方法

相場(chǎng)法用于描述裂紋擴(kuò)展，其源于Griffith 斷裂理論并克服了該理論存在的缺陷，即Griffith 斷裂理論沒(méi)有考慮裂紋發(fā)生前材料的損傷、裂紋前期萌生以及裂紋分叉等行為[9，14]。相場(chǎng)法裂紋擴(kuò)展發(fā)生前無(wú)需初始裂紋的存在，同時(shí)裂紋能進(jìn)行自由擴(kuò)展。相場(chǎng)法將裂紋擴(kuò)展路徑作為一個(gè)未知量進(jìn)行求解，裂紋用相變量發(fā)生急劇變化的位置代替，因此裂紋是彌散的。裂紋的表面能用相變量進(jìn)行表達(dá)，結(jié)合Griffith 斷裂理論，通過(guò)取全場(chǎng)能量的極小值可以推導(dǎo)出相變量的演化方程。這種用相變量變化描述裂紋的方法是具備連續(xù)性的，可以很方便地描述裂紋的相交、分叉等過(guò)程。相場(chǎng)法在本工作中用來(lái)模擬當(dāng)可磨耗面層與隔熱層的界面結(jié)合相對(duì)較好時(shí)，裂紋完全在可磨耗面層發(fā)生以及擴(kuò)展散的過(guò)程。

1.2.2 相場(chǎng)法模型及邊界條件

相場(chǎng)法模型設(shè)置時(shí)將可磨耗面層設(shè)置為均質(zhì)實(shí)體，粗糙度的設(shè)置方法與內(nèi)聚力模型一致。在相場(chǎng)法模型中，模型的下方保持固定，左右兩側(cè)都設(shè)置為無(wú)約束，并在上方施加拉伸載荷。

1.2.3 相場(chǎng)法模擬結(jié)果與討論

圖3 相場(chǎng)法-拉伸斷裂時(shí)面層裂紋擴(kuò)展過(guò)程Fig.3 The phase field damage-surface crack propagation process during tensile fracture

圖4 不同粗糙度模型拉伸的載荷-位移曲線Fig.4 Load-displacement curves of tensile models with different roughness

從圖4 中可以得出:隨著粗糙度的增加，可磨耗面層所能承載的最大載荷逐漸降低。這是由于粗糙度越大，造成可磨耗面層靠近界面處的部分應(yīng)力集中程度越大，裂紋越容易萌生和斷裂。為了進(jìn)一步研究更加符合實(shí)際工況時(shí)的情形，需要將可磨耗面層的多孔隙結(jié)構(gòu)引入模型中，來(lái)探究在可磨耗面層的多孔結(jié)構(gòu)的影響。

通過(guò)對(duì)真實(shí)失效試樣的觀察，界面附近面層結(jié)構(gòu)為多孔結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合涂層的強(qiáng)度具有顯著影響。界面處的孔隙本身可以弱化2 種涂層之間的機(jī)械結(jié)合，使界面處的結(jié)合面積減小，從而降低了界面處的結(jié)合強(qiáng)度。為了進(jìn)一步探索界面處的孔隙對(duì)面層本征強(qiáng)度的影響，研究了不同孔隙數(shù)量下，面層內(nèi)部斷裂的行為。

圖5 為粗糙度為10 μm 的界面存在2 個(gè)孔隙時(shí)，面層拉伸斷裂時(shí)裂紋擴(kuò)展過(guò)程。

圖5 相場(chǎng)法-界面附近含2 孔隙面層拉伸斷裂時(shí)裂紋擴(kuò)展過(guò)程Fig.5 The phase field damage-crack propagation process of the surface layer with 2 pores near the interface during tensile fracture

由圖5 可知，當(dāng)拉伸位移僅為0.088 μm 時(shí)，裂紋在可磨耗面層與隔熱涂層界面結(jié)合的波峰處萌生，說(shuō)明面層孔隙會(huì)降低面層本征強(qiáng)度。拉伸位移在0.088～0.090 μm 時(shí)，裂紋迅速發(fā)生擴(kuò)展。隨著拉伸位移進(jìn)一步增加，面層內(nèi)部裂紋沿著界面擴(kuò)展并最終相交，導(dǎo)致面層的整體剝落。圖6 為不同孔隙數(shù)量模型拉伸的載荷-位移曲線。由圖可知，隨著孔隙率的增加，可磨耗面層能承受的最大載荷減小。粗糙度為20 μm 且無(wú)孔隙時(shí)，面層自身可承受最大載荷為6.8 N。高孔隙率時(shí)，面層可承受最大載荷僅為3.4 N，為無(wú)孔涂層強(qiáng)度的50%。這說(shuō)明界面附近的孔隙降低了面層本征強(qiáng)度。

圖6 不同孔隙率模型拉伸的載荷-位移曲線Fig.6 Loading-displacement curves of tensile models with different porosity

上述研究表明，隨著界面粗糙度逐漸增加，界面處的結(jié)合強(qiáng)度逐漸升高，而可磨耗面層的本征強(qiáng)度卻隨著粗糙度的增加而逐漸降低。因此，抗開(kāi)裂涂層的理論設(shè)計(jì)應(yīng)該圍繞著界面粗糙度的設(shè)計(jì)以及強(qiáng)化界面結(jié)合這2 個(gè)方面開(kāi)展。

2 抗開(kāi)裂涂層設(shè)計(jì)

抗開(kāi)裂涂層設(shè)計(jì)時(shí)，一方面需要在隔熱層表面確定最合適的粗糙度，一方面需要減小界面附近面層孔隙對(duì)復(fù)合涂層強(qiáng)度的影響。

2.1 粗糙度的設(shè)計(jì)

隨著界面處的粗糙度增大，界面處的有效接觸面積增大，結(jié)合效果更好。由1.2 的研究可知，界面處粗糙度增大也會(huì)帶來(lái)面層本征強(qiáng)度降低的問(wèn)題。因此在不影響復(fù)合涂層整體強(qiáng)度的情況下，可以適度提高界面處的粗糙度。噴砂處理可以用于提高界面處粗糙度，但噴砂處理會(huì)造成界面處結(jié)構(gòu)疏松、結(jié)合強(qiáng)度嚴(yán)重降低等問(wèn)題。Deng 等[15]通過(guò)陰極等離子體電解技術(shù)對(duì)表面性能進(jìn)行了改性，能夠精確控制表面結(jié)構(gòu)。鄒慧等[16]研究表明強(qiáng)脈沖電流電子束與噴砂技術(shù)結(jié)合的復(fù)合處理，在調(diào)控粗糙度的同時(shí)，保證了界面處的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。馬康智等[17]研究表明，噴涂壓力與界面粗糙度有關(guān)，在保證界面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下，降低噴涂壓力可以提高界面粗糙度。

2.2 過(guò)渡層的設(shè)計(jì)

為了消除面層附近孔隙和自潤(rùn)滑軟相對(duì)界面帶來(lái)的影響，可以在界面處設(shè)計(jì)致密的金屬過(guò)渡層，面層沉積到過(guò)渡層的結(jié)構(gòu)如圖7 所示，該模型中孔隙下方即為過(guò)渡層。圖8 為加入過(guò)渡層后涂層內(nèi)部的裂紋擴(kuò)展過(guò)程，可知在界面制備致密的過(guò)渡層后，裂紋萌生于涂層內(nèi)部孔隙的尖端位置，隨著拉伸位移的增加裂紋最終在面層內(nèi)完全擴(kuò)展，界面不受影響。該現(xiàn)象表明，通過(guò)制備過(guò)渡層可以改變裂紋的擴(kuò)展路徑，使裂紋在遠(yuǎn)離界面的位置萌生擴(kuò)展，此時(shí)可以消除面層孔隙對(duì)界面產(chǎn)生的影響。

圖7 相場(chǎng)法-過(guò)渡層模型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 The phase field damage-schematic diagram of transition layer model structure

圖8 相場(chǎng)法-過(guò)渡層模型拉伸斷裂時(shí)裂紋擴(kuò)展過(guò)程Fig.8 The phase field damage-crack propagation process of the model with 30 μm transition layer during tensile fracture

基于以上研究，抗開(kāi)裂涂層應(yīng)該在界面處具有合適的粗糙度，同時(shí)要在界面處引入過(guò)渡層來(lái)消除可磨耗面層的多孔結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)合強(qiáng)度的影響。抗開(kāi)裂涂層的設(shè)計(jì)對(duì)真實(shí)涂層的制備具有指導(dǎo)意義。

3 結(jié) 論

針對(duì)可磨耗封嚴(yán)涂層易開(kāi)裂難題，開(kāi)展復(fù)合涂層失效位置相關(guān)性在不同情況下的失效機(jī)理的研究。首先通過(guò)不同的數(shù)值模擬方法，明確了界面粗糙度對(duì)界面強(qiáng)度和可磨耗面層本征強(qiáng)度的影響，界面附近可磨耗面層結(jié)構(gòu)特征對(duì)可磨耗面層本征強(qiáng)度的影響。其次通過(guò)對(duì)復(fù)合涂層的失效機(jī)理分析，明確了抗開(kāi)裂涂層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。主要結(jié)論如下:

(1)界面粗糙度越大，界面處結(jié)合強(qiáng)度越高。當(dāng)界面粗糙度為0 時(shí)，界面處所能承受的最大載荷最低，為10.0 N。當(dāng)界面粗糙度為30 μm，界面處可承受的最大載荷為16.0 N。界面粗糙度的增加會(huì)造成可磨耗面層內(nèi)部更易發(fā)生斷裂；

(2)界面附近可磨耗面層孔隙會(huì)降低面層本征強(qiáng)度。面層孔隙數(shù)量越多，可磨耗面層在拉伸過(guò)程中所能承受的最大載荷逐漸降低，粗糙度為20 μm 且無(wú)孔隙時(shí)，面層可承受最大載荷為6.8 N。高孔隙率時(shí)，面層可承受最大載荷僅為3.4 N；

(3)抗開(kāi)裂涂層設(shè)計(jì)應(yīng)保證在面層強(qiáng)度滿(mǎn)足服役要求的基礎(chǔ)上，適當(dāng)提高界面粗糙度以增強(qiáng)界面的結(jié)合強(qiáng)度。此外，在可磨耗面層與隔熱層之間設(shè)計(jì)抗開(kāi)裂致密過(guò)渡層可以在一定程度上消除面層孔隙對(duì)復(fù)合涂層界面強(qiáng)度的弱化作用。