熱障涂層中孤島氧化物對界面殘余應(yīng)力的影響

韓志勇，靖珍珠

（中國民航大學(xué)天津市民用航空器適航與維修重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300300）

熱障涂層中孤島氧化物對界面殘余應(yīng)力的影響

韓志勇，靖珍珠

（中國民航大學(xué)天津市民用航空器適航與維修重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300300）

使用ABAQUS有限元分析軟件研究熱障涂層熱循環(huán)過程中孤島氧化物對涂層界面殘余應(yīng)力的影響。選取正弦和平面形貌作為涂層的典型界面特征。結(jié)果表明，氧化物位于波峰處對涂層界面殘余應(yīng)力的影響大于位于波谷處對界面的影響。孤島氧化物距離TGO/BC界面越近，對界面殘余應(yīng)力影響越大。孤島氧化物半徑越小對TGO/BC界面殘余應(yīng)力影響越小。

熱障涂層；孤島氧化物；殘余應(yīng)力；有限元分析

熱障涂層（thermal barrier coatings，TBCs）是一種先進(jìn)的表面防護(hù)技術(shù)，在航空航天中發(fā)揮著極大的作用。熱障涂層主要由陶瓷層（TCC）和粘結(jié)層（BC）組成，通常使用等離子噴涂技術(shù)、電子束氣相沉積和激光重熔技術(shù)等方法制備。

在熱循環(huán)過程中，涂層中金屬元素被氧化在粘結(jié)層和陶瓷層之間會(huì)形成一層熱生長氧化物（thermally grown oxide，TGO）。在熱循環(huán)作用下，隨著TGO長大，由于熱物性的不匹配，TCC/TGO、TGO/BC界面間的殘余應(yīng)力是熱障涂層失效的主要原因[1-2]。對于涂層失效，國內(nèi)外學(xué)者主要針對熱障涂層界面形貌做了大量研究[3-5]。由于氧化過程極為復(fù)雜，對于涂層中孤島類熱生長氧化物對涂層界面應(yīng)力影響的研究相對較少，為了提高熱障涂層的使用壽命及機(jī)械完整性，對熱障涂層中孤島狀氧化物產(chǎn)生的殘余應(yīng)力進(jìn)行研究。

對于熱障涂層中孤島氧化物對界面殘余應(yīng)力的影響分析，實(shí)驗(yàn)過程中采用計(jì)算機(jī)模擬的方法，使用有限單元法，根據(jù)氧化后的涂層界面形貌在有限元軟件ABAQUS中建立模型計(jì)算。

1 實(shí)驗(yàn)方法與模型建立

采用GH99鎳基高溫合金制備出尺寸為H=6mm，φ=25 mm的圓柱作為基底材料，使用美國PRAXAIR 3710型等離子噴涂設(shè)備制備厚度約為120 μm的粘結(jié)層CoCrAlY和150μm陶瓷層8YSZ（ZrO2-8wt%Y2O3），制備的樣品經(jīng)過高溫?zé)嵫h(huán)后，典型的熱障涂層電子掃描圖像如圖1所示[6]。

據(jù)圖1中界面特征，不失一般性，計(jì)算過程中采用二維模型，計(jì)算單元選取正弦和平面形貌，如圖2所示。設(shè)定模型中的陶瓷層、熱生長氧化物層、粘結(jié)層的厚度分別為120 μm、5 μm、100 μm。涂層界面形貌中正弦曲線函數(shù)為y=20 cos（πx/20），單位為μm，界面中直線長度為20 μm。

圖1 高溫?zé)嵫h(huán)處理后熱障涂層界面SEM圖Fig.1 Interface SEM image after thermal cycling

圖2 熱障涂層界面形貌模型Fig.2 Pattern model of TBCs interface

對于孤島氧化物，模型中分別設(shè)定了不同位置、距離、大小的孤島氧化物進(jìn)行對比。關(guān)于位置設(shè)定，每個(gè)模型中建立4個(gè)孤島氧化物，2個(gè)分布在TGO/BC界面正弦波的波峰，2個(gè)分布在波谷。關(guān)于距離設(shè)定，建立兩組與界面不同距離孤島氧化物進(jìn)行對比。關(guān)于大小設(shè)定，通過建立不同半徑孤島氧化物進(jìn)行對比。

本文建立了3個(gè)模型，每個(gè)模型均由陶瓷層、粘結(jié)層、熱生長氧化物層和4個(gè)孤島氧化物組成。模型一中孤島氧化物距界面距離d1為17.5 μm，半徑R1為7.5μm；模型二中孤島氧化物距界面距離d2為12.5μm，半徑R1為7.5 μm；模型三中孤島氧化物距界面距離d2為12.5 μm，半徑R2為5 μm。

實(shí)驗(yàn)過程中，金屬基體相對粘結(jié)層和陶瓷層厚度較大，因而設(shè)定基體固定不變。研究對象僅選取熱障涂層的一小部分，故假設(shè)臨邊對稱。此實(shí)驗(yàn)為一次降溫過程，根據(jù)陶瓷層、熱生長氧化物層、粘結(jié)層的各項(xiàng)物理參數(shù)隨溫度的變化[7-8]，設(shè)定陶瓷層初始溫度為1 000℃，熱生長氧化物層初始溫度為900℃，粘結(jié)層以及粘結(jié)層中孤島狀的氧化物初始溫度為800℃，均降溫至25℃。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對模型進(jìn)行求解，得到熱障涂層應(yīng)力分布情況，如圖3所示。

圖3 殘余應(yīng)力分布云圖Fig.3 Contour nephogram of residual stresses

3 分析與比較

3.1 不同位置孤島氧化物對界面殘余應(yīng)力影響

熱障涂層模型中，4個(gè)孤島氧化物從左到右依次編號為1號、2號、3號和4號，1號和3號處于界面正弦波波峰位置，2號和4號處于波谷。以模型一為研究對象，分析4個(gè)孤島氧化物對界面殘余應(yīng)力影響。模型一中TGO/BC界面各點(diǎn)殘余應(yīng)力如圖4所示。

從圖4中可看出，曲線在48 μm、105 μm、182 μm、240 μm、268 μm處取極小值點(diǎn)，48 μm和182 μm位于TGO/BC界面正弦曲線波峰處，105 μm和240 μm為波谷處，因而孤島氧化物對界面殘余應(yīng)力影響較大。而波峰處應(yīng)力小于波谷處應(yīng)力，因而說明波峰處孤島氧化物對界面殘余應(yīng)力影響要大于波谷處的孤島氧化物。

3.2 距界面不同距離的孤島氧化物對殘余應(yīng)力影響

通過模型一與模型二之間的對比可以得到不同距離的孤島氧化物對界面殘余應(yīng)力的影響。TGO/BC界面的應(yīng)力如圖5所示，x表示界面上各點(diǎn)與模型最左端的距離。

圖4 TGO/BC界面各節(jié)點(diǎn)的殘余應(yīng)力曲線Fig.4 Residual stresses curves of nodes on interface TGO/BC

圖5 對于不同深度孤島氧化物TGO/BC界面各點(diǎn)的殘余應(yīng)力曲線Fig.5 Residual stresses on interface of TGO/BC for isolated oxides of different depths

圖5中兩條曲線在 48 μm、105 μm、182 μm、240 μm、268 μm處取極小值點(diǎn)，這些點(diǎn)位于TGO/BC界面波峰和波谷處，因而離孤島氧化物較近，兩條曲線在89 μm、121 μm、222 μm、255 μm處取得極大值，這些點(diǎn)離孤島氧化物遠(yuǎn)，說明孤島氧化物對界面殘余應(yīng)力有顯著影響。同時(shí)，與界面距離越小，極小值越小，極大值越大，孤島氧化物與TGO/BC界面越小對其殘余應(yīng)力影響越大。

3.3 不同大小的孤島氧化物對界面殘余應(yīng)力影響

孤島氧化物大小不同時(shí)，對涂層TGO/BC界面殘余應(yīng)力的影響如圖6所示。圖6兩條曲線在48 μm、105 μm、182 μm、240 μm、268 μm處取極小值點(diǎn)，各點(diǎn)位于TGO/BC界面波峰和波谷處，離孤島氧化物較近，在89μm、121μm、222 μm、255 μm處取得極大值，各點(diǎn)離孤島氧化物遠(yuǎn)。圖6中半徑越小，極小值越大，極大值越小，故孤島氧化物半徑越小對TGO/BC界面殘余應(yīng)力影響越小。

圖6 孤島氧化物大小對TGO/BC界面的殘余應(yīng)力影響Fig.6 Residual stresses on interface of TGO/BC for isolated oxides of different radii

4 結(jié)語

1）由于熱循環(huán)作用，熱障涂層中波峰處的孤島氧化物對TGO/BC界面殘余應(yīng)力的影響要比波谷處氧化物的影響大，在界面波峰和波谷處存在應(yīng)力集中，是涂層失效的危險(xiǎn)點(diǎn)。

2）孤島氧化物與TGO/BC界面距離對殘余應(yīng)力影響較大，其越小對TGO/BC界面殘余應(yīng)力影響越大。

3）孤島氧化物大小對熱障涂層殘余應(yīng)力影響顯著，半徑越大對TGO/BC界面殘余應(yīng)力影響越大。

[1]HERMAN H，SHANKAR N R.Survivability of thermal barrier coatings [J].Mater Sci Eng，1987，88（1）：69-74.

[2]曹學(xué)強(qiáng).熱障涂層材料[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

[3]董 麗.ZrO2熱障涂層殘余應(yīng)力有限元模擬[D].大連：大連理工大學(xué)，2012.

[4]姚國鳳，馬紅梅.熱障涂層界面形貌尺寸與殘余應(yīng)力的關(guān)系[J].金屬熱處理，2005，30（10）：43-46.

[5]朱 晨，劉 楊.界面形貌對熱障涂層殘余應(yīng)力影響的數(shù)值模擬[J].焊接技術(shù)，2010，39（3）：10-12.

[6]HSUEH C H，EDWIN R，F(xiàn)ULLER JR.Residual stresses in thermal barrier coatings：Effects of interface asperity curvature/height and oxide thickness[J].Materials Science and Engineering A，2000，283（1/2）：46-55.

[7]KARLSSON A M，LEVI C G，EVANS A G.A model study of displacement instabilities during cyclic oxidation[J].Acta Materialia，2002，50（6）：1263-1273.

[8]KARLSSON A M，XU T，EVANS A G.The effect of the thermal barrier coating on the displacement instability in thermal barrier systems[J]. Acta Materialia，2002，50（5）：1211-1218.

（責(zé)任編輯：楊媛媛）

Effect of isolated oxide on interface residual stress in thermal barrier coatings

HAN Zhi-yong，JING Zhen-zhu
（Civil Aircraft Airworthiness and Maintenance Key Lab of Tianjin，CAUC，Tianjin 300300，China）

The interface residual stresses in thermal barrier coatings during thermal cycling for different isolated oxides are modeled by using finite element analysis software ABAQUS.Sine and plane patterns are selected as typical interfaces feature of TBCs.It shows that the effect of oxide in the peak on the interface residual stresses is more significant compared with the oxide in the trough.With shorter distance between isolated oxide and TGO/ BC interface，the influence of the isolated oxide on the interface residual stresses gets more serious.Besides，the shorer of the isolated oxide radius，the less effect of which on the interface residual stresses.

thermal barrier coatings；isolated oxide；residual stress；finite element analysis

TG172.6

：A

：1674-5590（2014）08-0036-03

2013-07-02；

：2013-09-06

：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（U1333107）

韓志勇（1970—），男，河北石家莊人，副教授，博士，研究方向?yàn)楸砻娓男?