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圆柱体结构热障涂层三维应力场预测及界面屈曲破坏分析

作　者: 苏鹏
导　师: 毛卫国
学　校: 湘潭大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 热障涂层残余应力圆柱体结构热力屈曲
分类号: TG174.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

热障涂层(Thermal barrier coatings,简称TBCs)材料可有效保护热端部件,使其免受高温氧化、腐蚀、磨损,已应用于航空航天、大型火力发电等领域。然而,由于受材料参数不匹配、高温蠕变、弹塑性变形等因素的影响,在高温热循环使用中系统内部会产生较大的残余应力并不断累积增大。反复交替变化的残余应力通常导致涂层和基底发生分层、屈曲和剥落。屈曲破坏已成为热障涂层的主要失效模式之一。因此,本文首先估算了在制备和热循环使用过程中圆柱体结构热障涂层系统应力场的演变,为研究曲面结构热障涂层热力屈曲破坏提供应力分析基础;其次通过理论和实验相结合的方法,研究了在常温和高温环境下热障涂层界面压缩破坏的特性,重点讨论了热力屈曲破坏特征及破坏机理。本论文的主要研究内容如下:第一,分别假设陶瓷层位于基底的凸面和凹面两种情况,计算了在制备阶段圆柱体结构热障涂层的三维初始应力场分布,并重点分析了沉积温度、基底曲率和陶瓷层厚度三个因素对残余应力的影响。结果表明:当陶瓷层位于基底凸面时,各层径向应力为拉应力;当陶瓷层位于基底凹面时,各层径向应力为压应力。但陶瓷层位置对环向和轴向应力影响不大。随着沉积温度的增加,涂层体系三个方向的应力都明显增大,其中氧化层内的应力变化最为明显。随着基底曲率半径的增大,各层环向应力和轴向应力的影响明显强于相应的径向应力。第二,在综合考虑陶瓷层蠕变、粘结层和氧化层塑性变形、材料参数随温度变化的条件下,计算了在热循环过程中圆柱体结构热障涂层三维应力场分布,着重分析了在加热、保温和冷却阶段陶瓷层和氧化层内应力的演变。同时还讨论了热循环次数、热循环温度、基底曲率半径对陶瓷层和氧化层内应力场的影响。结果表明:随着热循环次数增加,陶瓷层的应力均呈指数型增大趋势,而氧化层内的轴向和环向应力出现减小趋势,但氧化层内的应力明显高于其它三层,是导致涂层破坏的主要原因之一。随着热循环温度的升高,涂层体系的应力都明显增大。第三,首先建立了含界面缺陷的圆柱体结构热障涂层界面屈曲破坏的简化力学模型,得到了壳体结构单层陶瓷层的临界屈曲载荷与临界裂纹长度和基底曲率的关系。其次通过设计特殊的实验样品并制定合理的实验方案,在常温和高温环境下,详细地研究了热障涂层界面压缩失效过程,并通过控制实验条件,在高温环境下获得了圆柱结构的热障涂层体系界面屈曲的实验现象、临界实验条件(测试温度、压缩载荷等),讨论了圆柱体结构热障涂层界面屈曲破坏机制。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-17
  1.1 引言  9-10
  1.2 热障涂层的概述  10-12
    1.2.1 热障涂层的概念及结构  10
    1.2.2 热障涂层的制备工艺及微观结构  10-12
  1.3 国内外的研究现状  12-13
  1.4 新型热障涂层材料  13-14
  1.5 热障涂层的破坏机理  14
  1.6 本文选题依据和主要内容  14-17
第2章制备阶段圆柱体结构热障涂层三维应力场预测  17-27
  2.1 圆柱体结构热障涂层模型  17-18
  2.2 制备阶段应力场公式推导  18-19
  2.3 参数设置  19-21
  2.4 结果与讨论  21-26
    2.4.1 沉积温度对初始应力场的影响  21-23
    2.4.2 基底曲率半径对初始应力场的影响  23
    2.4.3 陶瓷层厚度对初始应力场的影响  23-26
  2.5 本章小结  26-27
第3章热循环条件下圆柱体结构热障涂层三维应力场预测  27-42
  3.1 热循环方式  27-28
  3.2 蠕变和塑性变形  28-29
    3.2.1 陶瓷层的蠕变  28
    3.2.2 氧化层和粘结层的塑性变形  28-29
  3.3 热循环条件下应力场公式推导  29-31
  3.4 结果与讨论  31-41
    3.4.1 热循环次数对热循环应力场的影响  31-36
    3.4.2 基底曲率半径对热循环应力场的影响  36-38
    3.4.3 热循环温度对热循环应力场的影响  38-41
  3.5 本章小结  41-42
第4章圆柱体结构热障涂层界面屈曲破坏分析  42-57
  4.1 屈曲的概念及研究意义  42-43
  4.2 圆柱体结构热障涂层屈曲破坏理论分析  43-45
    4.2.1 小挠度屈曲理论分析模型  43
    4.2.2 屈曲计算公式推导  43-44
    4.2.3 计算结果和讨论  44-45
  4.3 圆柱体结构热障涂层屈曲破坏实验分析  45-55
    4.3.1 数字图像相关法及在本文中的应用  45-46
    4.3.2 实验样品的制备及后期热处理  46-48
    4.3.3 实验方案及过程  48-49
    4.3.4 实验结果和讨论  49-55
  4.4 本章小结  55-57
第5章总结和展望  57-59
  5.1 工作总结  57-58
  5.2 工作展望  58-59
参考文献  59-65
致谢  65-66
附录A：攻读硕士学位期间发表的学术论文  66

圆柱体结构热障涂层三维应力场预测及界面屈曲破坏分析

内容摘要

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