涂層結(jié)構(gòu)對(duì)AlSi / PHB 封嚴(yán)涂層熱應(yīng)力影響的有限元分析

孫志慧, 歐陽佩旋*, 韓英杰, 劉通, 張淑婷, 宋杰人

（1.北方工業(yè)大學(xué), 北京 100144; 2.礦冶科技集團(tuán)有限公司, 北京 100160 )

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的氣密性是影響整機(jī)效率和耗能的關(guān)鍵因素之一[1]。可磨耗封嚴(yán)涂層作為一種犧牲性涂層被廣泛應(yīng)用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中，其有效降低了轉(zhuǎn)子與靜子之間的徑向間隙，是提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣密性和運(yùn)行效能的一種重要途徑[2-5]。AlSi / PHB封嚴(yán)涂層因具有良好的耐磨損和抗沖蝕等性能而成為當(dāng)前廣泛應(yīng)用的中低溫封嚴(yán)涂層材料之一[6]。盡管可磨耗封嚴(yán)涂層對(duì)提高渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)效率有著顯著效果，但其仍面臨不少的挑戰(zhàn)，如涂層結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)。

AlSi / PHB 封嚴(yán)涂層是由NiAl 粘結(jié)底層和AlSi / PHB 可磨耗面層組成，其中，面層包含AlSi金屬相、大量聚苯酯 ( PHB ) 顆粒和部分孔隙。由于AlSi / PHB 封嚴(yán)涂層長(zhǎng)期處于快速升溫-快速冷卻的交替熱循環(huán)服役工況，涂層中不可避免地產(chǎn)生熱應(yīng)力[7]。當(dāng)誘導(dǎo)的熱應(yīng)力累積達(dá)到一定臨界值時(shí)，涂層中可能出現(xiàn)裂紋，且隨著裂紋不斷擴(kuò)展，最終將導(dǎo)致涂層失效。特別是，AlSi / PHB面層中聚苯酯顆粒及孔隙特性 ( 如含量、尺寸、分布情況等 ) 將直接影響涂層的熱應(yīng)力，進(jìn)而影響涂層的使用性能。因此，研究面層結(jié)構(gòu)對(duì)熱震工況下AlSi / PHB 封嚴(yán)涂層熱應(yīng)力的影響可為涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，對(duì)可磨耗封嚴(yán)涂層的發(fā)展具有重要意義。

有限元數(shù)值模擬可以直觀地顯示涂層溫度和應(yīng)力分布情況，具有效率高、成本低和數(shù)據(jù)可靠等優(yōu)點(diǎn)，已在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用與發(fā)展[8,9]，特別是，針對(duì)涂層結(jié)構(gòu)對(duì)其應(yīng)力影響的研究，有限元方法提供了更加便捷高效的途徑。Johnston[10]運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)研究了AlSi / hBN 涂層厚度對(duì)熱噴涂涂層-基體界面殘余應(yīng)力的影響。王杰[11]等采用ABAQUS 有限元軟件研究了粘結(jié)底層和可磨耗面層厚度對(duì)切向載荷作用下AlSi / PHB 封嚴(yán)涂層應(yīng)力的影響，結(jié)果表明，涂層-基體界面的峰值拉應(yīng)力隨粘結(jié)層厚度的減小呈升高趨勢(shì)，而涂層表面和涂層-基體界面的峰值拉應(yīng)力均隨面層厚度的增加先減小而后基本保持不變。Wang 等[8]運(yùn)用有限元分析方法研究了孔隙直徑對(duì)熱障涂層隔熱性能的影響，研究結(jié)果表明，隨著孔隙直徑的增加，熱障涂層的隔熱效果顯著提高。孫偉等[12,13]利用ABAQUS 有限元軟件研究了涂層結(jié)構(gòu)對(duì)熱震工況下CuAl / PHB 封嚴(yán)涂層熱應(yīng)力的影響規(guī)律。結(jié)果表明，當(dāng)涂層總厚度超過0.6 mm 左右時(shí)，出現(xiàn)峰值拉應(yīng)力的部位由涂層-基體界面轉(zhuǎn)變?yōu)橥繉觽?cè)面；隨著孔隙率的增加，涂層內(nèi)部熱應(yīng)力得到緩解且重新分布；而隨著孔隙尺寸增大，涂層-基體界面峰值拉應(yīng)力呈上升趨勢(shì)。

基于上述，本文針對(duì)AlSi / PHB 可磨耗封嚴(yán)涂層的熱震工況，利用ABAQUS 有限元軟件和Python 語言建立具有不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的AlSi / PHB封嚴(yán)涂層有限元模型，系統(tǒng)研究了面層厚度、聚苯酯顆粒及孔隙結(jié)構(gòu)特性對(duì)涂層熱應(yīng)力的影響規(guī)律，以期為AlSi / PHB 可磨耗封嚴(yán)涂層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供參考。

1 有限元仿真模擬

1.1 有限元模型

圖1 所示為AlSi / PHB 封嚴(yán)涂層的典型微觀形貌，基體材料為Ti6Al4V 合金，粘結(jié)底層和可磨耗面層材料分別為NiAl 及AlSi / PHB，其中，面層的深灰色區(qū)域?yàn)榫郾锦ハ?，淺灰色區(qū)域?yàn)锳lSi 相，可見聚苯酯呈蜂窩狀均勻分布在AlSi 骨架相中，同時(shí)還有少量孔隙的存在。鑒于熱震用的圓柱體是軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，且二維有限元模型相比三維模型具有計(jì)算速度快、效率高等優(yōu)點(diǎn)[8,12,14]，本文利用ABAQUS 有限元軟件建立如圖2 所示的封嚴(yán)涂層-基體二維軸對(duì)稱有限元模型。針對(duì)AlSi / PHB 面層微觀結(jié)構(gòu)，若通過有限元軟件手動(dòng)建模以實(shí)現(xiàn)聚苯酯顆粒與孔隙在AlSi 合金骨架相的隨機(jī)分布模型，則建模工作量過大且難度較高。因此，本文利用Python 編程語言對(duì)ABAQUS有限元軟件進(jìn)行二次開發(fā)，通過循環(huán)語句實(shí)現(xiàn)了聚苯酯顆粒及孔隙的重復(fù)生成與隨機(jī)分布。假設(shè)聚苯酯顆粒及孔隙形狀均為圓形[12,13]，且其各自與面層面積的百分比近似為聚苯酯顆粒和孔隙的體積含量。多孔隙生成腳本包括孔隙位置坐標(biāo)的獲取及孔隙生成，而多個(gè)聚苯酯顆粒生成腳本包括聚苯酯顆粒生成、裝配和劃分網(wǎng)格等[15]。

圖1 AlSi / PHB 封嚴(yán)涂層截面微觀形貌Fig.1 Cross-sectional microstructure of AlSi / PHB sealing coating

圖2 涂層-基體二維軸對(duì)稱有限元模型Fig.2 Two-dimensional axisymmetric finite element model of the coating and substrate

Ti6Al4V 合金基體的尺寸為40 mm × 10 mm，NiAl 粘結(jié)層的厚度為0.1 mm?；诠こ虒?shí)際應(yīng)用情況和文獻(xiàn)資料[16,17]等，將AlSi / PHB 面層結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置為如表1 所示的具體取值范圍。由于本文的研究重點(diǎn)在于涂層的應(yīng)力分布情況，因此對(duì)涂層區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理[18]，如圖2 所示，網(wǎng)格單元類型為CPE4T。

表1 AlSi / PHB 封嚴(yán)涂層的面層結(jié)構(gòu)變量Table 1 Structure variables of top layer of the AlSi / PHB sealing coating

1.2 材料屬性

仿真所涉及到的基體和涂層材料基本參數(shù)和熱物性參數(shù)分別如表2 和表3 所示

表2 基體和涂層材料的基本參數(shù)Table 2 Basic parameters of substrate and coating materials

表3 基體和涂層材料的熱物性參數(shù)Table 3 Thermophysical parameters of substrate and coating materials

1.3 邊界條件及計(jì)算

由于熱震工況代表了封嚴(yán)涂層在實(shí)際服役條件下的冷熱循環(huán)過程，因此，基于AlSi / PHB 封嚴(yán)涂層的熱震工況條件，采用完全熱-力耦合有限元分析方法對(duì)涂層的熱應(yīng)力進(jìn)行仿真研究。仿真過程分為兩個(gè)階段進(jìn)行： ( 1 ) 將試樣置于溫度為350 ℃的環(huán)境中保溫5 min，視為爐內(nèi)保溫階段，此時(shí)試樣與空氣之間發(fā)生自然對(duì)流換熱，表面膜系數(shù)取100 W/(m2·K)[22]；( 2 ) 將保溫后試樣立即放入溫度為20 ℃的環(huán)境中保持2 min，視為淬冷階段，此時(shí)試樣與空氣之間發(fā)生強(qiáng)對(duì)流換熱，表面膜系數(shù)取3000 W/(m2·K)[23,24]。為了實(shí)現(xiàn)有限元仿真分析，本文借鑒了已有的相關(guān)研究[13,18,19]，對(duì)模型建立過程中作了如下假設(shè)：( 1 ) AlSi / PHB封嚴(yán)涂層初始狀態(tài)無殘余應(yīng)力；( 2 ) 面層、粘結(jié)層和基體材料均視為完全彈性體，且均為各向同性；( 3 ) 涂層與基體的傳熱過程中僅考慮熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流，不考慮熱輻射效應(yīng)的影響；( 4 ) 涂層與基體結(jié)合界面處光滑平整；( 5 ) 涂層內(nèi)部無裂紋或其他缺陷。對(duì)于二維涂層模型，其在熱震工況下存在沿水平方向的應(yīng)力 ( 即橫向應(yīng)力 ) 和沿厚度方向的應(yīng)力( 即縱向應(yīng)力 )，且這兩種類型的應(yīng)力均涉及拉應(yīng)力和壓應(yīng)力。由于涂層的抗熱震性能主要受涂層結(jié)合強(qiáng)度和縱向拉應(yīng)力兩者之間大小關(guān)系的影響，且熱震工況下熱應(yīng)力的產(chǎn)生主要發(fā)生在淬冷瞬間，因此，本文仿真結(jié)果重點(diǎn)關(guān)注冷卻瞬時(shí)涂層的縱向拉應(yīng)力，探討在熱震條件下涂層結(jié)構(gòu)對(duì)熱應(yīng)力的影響規(guī)律，從而指導(dǎo)涂層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2 結(jié)果與討論

2.1 面層厚度對(duì)涂層應(yīng)力的影響

為了便于分析，在研究面層厚度對(duì)涂層應(yīng)力的影響時(shí)，幾何模型中忽略聚苯酯顆粒及孔隙等微米級(jí)結(jié)構(gòu)的影響。當(dāng)AlSi 面層厚度為0.1 ～ 1.9 mm時(shí)，熱震過程中涂層冷卻瞬時(shí)的縱向應(yīng)力分布云圖如圖3 所示，其中正值表示拉應(yīng)力，負(fù)值表示壓應(yīng)力。從圖中可見，當(dāng)面層厚度為0.1 mm 時(shí)，拉應(yīng)力主要集中在涂層與基體界面處 ( 圖3 (a) )，這種現(xiàn)象可從公式 ( 1 ) 得到解釋[20]，當(dāng)涂層厚度較薄時(shí)，冷卻瞬時(shí)涂層和基體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生較大的溫差，加之涂層與基體材料的熱膨脹系數(shù)相差較大，因而在涂層-基體界面處會(huì)產(chǎn)生明顯的拉應(yīng)力集中現(xiàn)象；而隨著面層厚度增加，當(dāng)面層厚度為0.3 mm ～ 0.7 mm 時(shí)，拉應(yīng)力均勻分布在涂層內(nèi)部 ( 圖3(b) – 3(d) )；當(dāng)面層厚度為0.9 mm ～ 1.9 mm 時(shí)，拉應(yīng)力主要集中在涂層側(cè)面 ( 圖3(e) –(j) )。

圖3 不同面層厚度條件下涂層冷卻瞬時(shí)應(yīng)力分布云圖(a) 0.1 mm；(b) 0.3 mm；(c) 0.5 mm；(d) 0.7 mm；(e) 0.9 mm；(f) 1.1 mm；(g) 1.3 mm；(h) 1.5 mm; (i) 1.7 mm；(j) 1.9 mmFig.3 Nephograms of instantaneous cooling stress distribution of coating with different top-layer thicknesses(a) 0.1 mm, (b) 0.3 mm, (c) 0.5 mm, (d) 0.7 mm, (e) 0.9 mm, (f) 1.1 mm, (g) 1.3 mm, (h) 1.5 mm, (i) 1.7 mm, (j) 1.9 mm

其中，Es為基體材料的楊氏模量 ( GPa ) ；αc-αs分別為基體和涂層材料的線膨脹系數(shù) ( 10-6·K-1) ；υs為基體的泊松比。

為了定量分析面層厚度對(duì)涂層峰值拉應(yīng)力的影響，分別沿涂層-基體界面和涂層側(cè)面建立路徑OA 和BO，如圖4 所示，并提取兩路徑上的峰值應(yīng)力數(shù)據(jù)，如圖5 所示。從圖5 可以看出，當(dāng)面層厚度為0.1 mm ～ 1.9 mm 時(shí)，隨著面層厚度的增大，涂層-基體界面峰值拉應(yīng)力緩慢增加，且最終穩(wěn)定在10 MPa 左右，而涂層側(cè)面的峰值拉應(yīng)力顯著增大，最高可達(dá)約55 MPa。這表明面層厚度對(duì)涂層-基體界面應(yīng)力的影響小于其對(duì)涂層側(cè)面應(yīng)力的影響。此外，當(dāng)面層厚度小于0.3 mm左右時(shí)，涂層峰值拉應(yīng)力位于涂層-基體界面，此時(shí)涂層失效易發(fā)生在界面處；當(dāng)面層厚度大于0.3 mm 左右時(shí)，峰值拉應(yīng)力位于涂層側(cè)面，此時(shí)涂層失效易發(fā)生在內(nèi)部。通過參考AlSi 涂層的結(jié)合強(qiáng)度 ( 不超過10 MPa[25]) ，且考慮到實(shí)際工程應(yīng)用中希望涂層失效盡可能發(fā)生在涂層內(nèi)部而非涂層-基體界面，因而，面層厚度以0.3 ～ 1.1 mm為宜。

圖4 涂層-基體界面OA 方向和涂層側(cè)面BO 方向的路徑示意圖Fig.4 Schematic diagram of the paths along the OA direction at the coating-substrate interface and the BO direction at the side of coating

圖5 涂層-基體界面及涂層側(cè)面峰值拉應(yīng)力隨面層厚度的變化Fig.5 The variation of peak tensile stresses at the coatingsubstrate interface and the side of the coating with the toplayer thickness

2.2 聚苯酯顆粒結(jié)構(gòu)對(duì)涂層熱應(yīng)力的影響

由于AlSi / PHB 封嚴(yán)涂層中聚苯酯顆粒含量遠(yuǎn)高于孔隙含量，因此，為了便于分析，在研究聚苯酯顆粒結(jié)構(gòu)對(duì)涂層應(yīng)力影響時(shí)，幾何模型中不考慮孔隙結(jié)構(gòu)的影響，圖6 為面層中聚苯酯顆粒隨機(jī)分布的示意圖。當(dāng)面層厚度為0.9 mm、聚苯酯顆粒直徑為75 μm、聚苯酯含量為30 vol.% ～50 vol.%時(shí)，涂層的冷卻瞬時(shí)應(yīng)力分布云圖如圖7所示。從圖7 可以看出，縱向壓應(yīng)力主要集中在涂層-基體界面的邊緣處，而涂層中無明顯的拉應(yīng)力集中現(xiàn)象。提取不同聚苯酯顆粒含量條件下涂層OA 和BO 路徑上的峰值應(yīng)力數(shù)據(jù) ( 圖8 ) 。由圖8 可知，當(dāng)聚苯酯含量為30 vol.% ～ 50 vol.%時(shí)，隨著聚苯酯含量的增加，涂層各處的峰值拉應(yīng)力整體波動(dòng)不明顯，涂層-基體界面處峰值拉應(yīng)力約為17 MPa，而涂層側(cè)面峰值拉應(yīng)力在40 ～45 MPa 內(nèi)波動(dòng)。上述結(jié)果表明，聚苯酯顆粒含量對(duì)涂層應(yīng)力無明顯影響。此外，有研究表明，當(dāng)聚苯酯含量較少時(shí)，AlSi / PHB 粉末在機(jī)械混合過程中會(huì)出現(xiàn)粉末破碎現(xiàn)象，而當(dāng)聚苯酯含量為40 vol.% ～ 50 vol.%時(shí)，粉末顆?？杀３滞暾裕椅⒂^組織形貌較好，應(yīng)力分布較均勻[17]。因此，結(jié)合應(yīng)力仿真結(jié)果與相關(guān)試驗(yàn)現(xiàn)象，聚苯酯顆粒含量在40 vol.% ～ 50 vol.%范圍為宜。

圖6 面層中聚苯酯顆粒隨機(jī)分布示意圖Fig.6 Schematic diagram of random distribution of PHB particles in the surface layer

圖7 不同聚苯酯顆粒含量條件下涂層冷卻瞬時(shí)應(yīng)力分布云圖(a) 30 vol.%；(b) 35 vol.%；(c) 40 vol.%；(d) 45 vol.%；(e) 50 vol.%Fig.7 Nephograms of instantaneous cooling stress distribution of coating with different contents of PHB particles(a) 30 vol.%, (b) 35 vol.%, (c) 40 vol.%, (d) 45 vol.%, (e) 50vol.%

圖8 涂層-基體界面及涂層側(cè)面峰值拉應(yīng)力隨聚苯酯顆粒含量的變化Fig.8 The variation of peak tensile stresses at the coating-substrate interface and the side of the coating with the content of PHB particles

2.3 面層孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)熱應(yīng)力的影響

由于聚苯酯顆粒含量對(duì)涂層應(yīng)力的影響不顯著 ( 圖8 ) ，因此，在研究面層孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)涂層應(yīng)力影響時(shí)，幾何模型中不考慮聚苯酯顆粒的影響。當(dāng)面層厚度為 0.9 mm、孔隙直徑為0.1 mm、孔隙率為0 vol.% ～ 15 vol.%時(shí)，涂層的冷卻瞬時(shí)熱應(yīng)力分布云圖如圖9 所示。從圖9 可以看出，相比致密AlSi 面層 ( 圖9(a) ) ，多孔面層的拉應(yīng)力顯著提高，但孔隙的存在有效緩解了致密涂層內(nèi)部拉應(yīng)力集中現(xiàn)象。然而，在孔隙周圍出現(xiàn)了小范圍的應(yīng)力集中現(xiàn)象，其中，拉、壓應(yīng)力在孔隙周圍交替分布，如圖10 所示，這與文獻(xiàn)[26]報(bào)道的現(xiàn)象一致。為了定量分析面層孔隙率對(duì)涂層-基體界面拉應(yīng)力的影響，提取不同孔隙率條件下涂層-基體界面OA 路徑上的峰值拉應(yīng)力數(shù)據(jù)，如圖11 所示。從圖11 可見，當(dāng)孔隙率為5 vol.% ～ 15 vol.%時(shí)，涂層-基體界面的峰值拉應(yīng)力隨孔隙率的提高先顯著降低而后大幅提高，其中，當(dāng)面層孔隙率為10 vol.% ～ 11 vol.%時(shí)，界面峰值拉應(yīng)力達(dá)到最低值，約為24 MPa。在孔隙直徑一定的情況下，當(dāng)孔隙率較低 ( 如5 vol.% ) 時(shí)，各孔隙之間的距離較遠(yuǎn)，孔隙間的相互影響較小，因而，孔隙周圍的應(yīng)力集中明顯，峰值應(yīng)力較大，此時(shí)，峰值拉應(yīng)力主要分布在孔隙周圍對(duì)角線位置處，而峰值壓應(yīng)力分布在孔隙上下方及左右位置處 ( 圖10(a) ) ；而隨著孔隙率逐漸增加 ( 如10 vol.% ) ，孔隙數(shù)量增多，孔隙周圍的拉應(yīng)力與相鄰孔隙的壓應(yīng)力發(fā)生部分抵消，使得應(yīng)力集中現(xiàn)象逐漸減弱，進(jìn)而出現(xiàn)峰值應(yīng)力下降的趨勢(shì) ( 圖10(b) ) ；然而，隨著孔隙率進(jìn)一步提高，孔隙分布變得密集，相鄰孔隙間的拉應(yīng)力發(fā)生疊加，最終使得應(yīng)力集中程度大大提高，峰值應(yīng)力隨之增加 ( 圖10(c) )[27,28]。綜合考慮，封嚴(yán)涂層的面層孔隙率以10 vol.% ～ 11 vol.%左右為宜。

圖9 不同面層孔隙率條件下涂層的冷卻瞬時(shí)應(yīng)力分布云圖(a) 0 vol.%；(b) 5 vol.%；(c) 6 vol.%；(d) 7 vol.%；(e) 8 vol.%；(f) 9 vol.%；(g) 10 vol.%；(h) 11 vol.%；(i) 12 vol.%；(j) 13 vol.%；(k) 14 vol.%；(l) 15 vol.%Fig.9 Nephograms of instantaneous cooling stress distribution of coating with different porosities(a) 0 vol.%, (b) 5 vol.%, (c) 6 vol.%, (d) 7 vol.%, (e) 8 vol.%, (f) 9 vol.%, (g) 10 vol.%, (h) 11 vol.%, (i) 12 vol.%,(j) 13 vol.%, (k) 14 vol.%, (l) 15 vol.%

圖10 不同孔隙率下涂層局部放大應(yīng)力云圖：(a) 5 vol.%；(b) 10 vol.%；(c) 15 vol.%Fig.10 Enlarged stress nephograms of coating with different porosities：(a) 5 vol.%, (b) 10 vol.%, (c) 15 vol.%

圖11 涂層-基體界面峰值拉應(yīng)力隨孔隙率的變化Fig.11 The variation of peak tensile stress at the coating-substrate interface with porosity of the top coating

當(dāng)面層厚度為0.9 mm、孔隙率為11 vol.%、孔隙直徑為60 μm ～ 110 μm 時(shí)，涂層的冷卻瞬時(shí)熱應(yīng)力分布云圖如圖12 所示。從圖11 可見，多孔AlSi / PHB 面層中孔隙周圍同樣存在局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，且隨著孔隙直徑的增加，峰值拉應(yīng)力值增大，由99.8 MPa 增大至357.4 MPa。為了定量分析面層孔隙直徑對(duì)涂層拉應(yīng)力的影響，提取不同孔隙直徑條件下涂層-基體界面OA 路徑和涂層內(nèi)部的峰值拉應(yīng)力數(shù)據(jù)，如圖13 所示。從圖13 可看出，涂層-基體界面處的峰值拉應(yīng)力隨面層孔隙直徑的變化波動(dòng)不明顯，基本穩(wěn)定在10 MPa 左右；而涂層內(nèi)部的峰值拉應(yīng)力隨孔隙直徑的增大而明顯增加，這是由于隨著孔隙尺寸增加，涂層內(nèi)部的熱傳遞效率降低，涂層與基體的溫度梯度變大，進(jìn)而導(dǎo)致涂層內(nèi)部熱失配應(yīng)力增加[28]。這表明，在面層孔隙直徑為60 ～ 110 μm 時(shí)，孔隙尺寸減小有利于降低涂層內(nèi)部的峰值拉應(yīng)力。然而在實(shí)際涂層制備過程中，孔隙尺寸的大小在很大程度上受聚苯酯顆粒尺寸的影響，通常制得孔隙尺寸不低于聚苯酯顆粒尺寸 ( 本工作中所用聚苯酯顆粒直徑為75 μm ) ?；谏鲜鲇懻摚嗫譇lSi / PHB 面層的孔隙直徑以70 ～ 80 μm 左右為宜。

圖12 不同面層孔隙直徑條件下涂層的冷卻瞬時(shí)應(yīng)力分布云圖(a) 60 μm；(b) 70 μm；(c) 80 μm；(d) 90 μm；(e) 100 μm；(f) 110 μmFig.12 Nephograms of instantaneous cooling stress distribution of coating with different pore diameters in the top coating(a) 60 μm, (b) 70 μm, (c) 80 μm, (d) 90 μm, (e) 100 μm, (f) 110 μm

圖13 涂層-基體界面及涂層內(nèi)部峰值拉應(yīng)力隨孔隙直徑的變化Fig.13 The variation of peak tensile stress at the coatingsubstrate interface and coating interior with pore diameters

3 結(jié)論

基于AlSi / PHB 封嚴(yán)涂層的熱震工況，采用有限元數(shù)值仿真方法對(duì)具有不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的AlSi /PHB 涂層進(jìn)行熱應(yīng)力計(jì)算，系統(tǒng)研究了面層厚度、聚苯酯顆粒及孔隙結(jié)構(gòu)特性對(duì)涂層熱應(yīng)力的影響規(guī)律，以指導(dǎo)涂層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化。具體結(jié)論如下：

( 1 ) 當(dāng)面層厚度為0.1 mm ～ 1.9 mm 時(shí)，隨著面層厚度的增加，涂層-基體界面峰值拉應(yīng)力緩慢升高，最終穩(wěn)定在10 MPa 左右，而涂層側(cè)面的峰值拉應(yīng)力顯著增大，最高可達(dá)約55 MPa。面層厚度對(duì)涂層-基體界面應(yīng)力的影響小于其對(duì)涂層側(cè)面應(yīng)力的影響。當(dāng)面層厚度超過0.3 mm 時(shí)，涂層中出現(xiàn)最大拉應(yīng)力的部位由涂層-基體界面轉(zhuǎn)變?yōu)橥繉觽?cè)面。

( 2 ) 當(dāng)聚苯酯顆粒含量為30 vol.% ～ 50vol.%時(shí)，涂層中無明顯的拉應(yīng)力集中現(xiàn)象，且隨著聚苯酯含量的增加，涂層-基體界面和涂層側(cè)面的峰值拉應(yīng)力均無波動(dòng)不大，分別穩(wěn)定在17 MPa 和40 MPa ～ 45 MPa。聚苯酯顆粒含量對(duì)涂層熱應(yīng)力無明顯影響。

( 3 ) 相比致密AlSi 面層，多孔面層中孔隙的存在有效緩解了涂層內(nèi)部的拉應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)孔隙率為5 vol.% ～ 15 vol.%時(shí)，隨著孔隙率的增大，涂層-基體界面的峰值拉應(yīng)力先顯著降低而后大幅度提高，其中，當(dāng)孔隙率為10 vol.% ～ 11 vol.%時(shí)，界面峰值拉應(yīng)力達(dá)到最低值，約為24 MPa。當(dāng)孔隙直徑為60 μm ～ 110 μm 時(shí)，隨著孔隙直徑的增加，涂層-基體界面峰值應(yīng)力基本穩(wěn)定在10 MPa，而涂層內(nèi)部峰值拉應(yīng)力由99.8 MPa 逐漸增大至357.4 MPa。

( 4 ) AlSi / PHB 涂層的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選為：面層厚度為0.3 mm ～ 1.1 mm，聚苯酯顆粒含量為40 vol.% ～ 50 vol.%，面層孔隙率為11 vol.%左右，孔隙直徑為70 μm ～ 80 μm。。