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前國內(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，使涂層具有更長的使用壽命。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象，用有限元法結(jié)合Anysis軟件對其溫度和熱應(yīng)力分布規(guī)律進行了理論計算和分析。

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，會產(chǎn)生應(yīng)力過度集中，使得涂層開裂或剝落損壞、過早地失效，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仿真軟件對陶瓷/金屬梯度熱障涂層的有限元法進行分析和研究，得出具有價值和意義的熱傳導(dǎo)效應(yīng)結(jié)果。

一、多層圓筒模型有限元方程

對于實際應(yīng)用中的圓筒結(jié)構(gòu)梯度涂層，在對多層圓筒進行有限元分析時，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、不同涂層的溫度場和應(yīng)力場

利用Anysis仿真軟件分別對陶瓷/金屬熱障涂層多層圓筒模型的溫度場和應(yīng)力場設(shè)置相應(yīng)參數(shù)進行高仿真實驗，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.不同涂層的溫度場分析

涂層溫度區(qū)間為[0，3000]時，經(jīng)過仿真實驗針對三層、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，在對應(yīng)點上三層、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。這是因為梯度層熱傳導(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)，在對應(yīng)點上，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，這是因為梯度層的熱傳導(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

實驗結(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分析

實驗結(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，對應(yīng)點上的溫差不大；（2）在圓筒外壁高溫附近區(qū)域內(nèi)，在對應(yīng)點上，隨著梯度層厚度的增大，溫度逐漸降低，且溫差較大，說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，且溫度場分布曲線變得趨于平緩。

2.熱應(yīng)力分析

對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 時，粘結(jié)層與梯度層界面處的峰值突增，且大于 時粘結(jié)層與梯度層界面處的峰值。可見梯度層的厚度對涂層X方向熱應(yīng)力有影響，梯度的厚度不可太厚或太薄，選取合適的厚度對涂層界面處的峰值才具有緩和作用。

四、本章小結(jié)

通過ANSYS模擬出的各個模型的圓筒內(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。這是因為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(yīng)力得到緩解，由此可以推斷出梯度層對界面處的熱應(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，溫度場分布曲線變得趨于平緩。當梯度層厚度從0.2mm增加到0.6mm時，粘結(jié)層與梯度層界面處應(yīng)力峰值逐漸減小，當厚度增加到0.8mm時界面處的應(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].長春:吉林學(xué),2005

[2]畢建華.基體條件對等離子噴涂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