強(qiáng)流脈沖電子束改性粘結(jié)層溫度場(chǎng)研究

方 洋， 張志洋

(1.安徽民航機(jī)場(chǎng)集團(tuán)， 安徽 合肥 231271； 2.孚能科技(贛州) 股份有限公司， 江西 贛州 341003)

0 前 言

熱障涂層(Thermal Barrier Coatings，TBC)技術(shù)被廣泛應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)高溫部件材料上，即在現(xiàn)有耐熱超合金材料表面上噴涂陶瓷層[1]。 陶瓷涂層較低的熱導(dǎo)率、較高的熱膨脹系數(shù)能夠使基體金屬部件(燃燒室、涵道等) 維持在較低溫度卻有較高的實(shí)際工作溫度，從而在提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能的同時(shí)使基體金屬保持在低溫區(qū)域[2]。 為了緩解陶瓷層和基體的楊氏模量和膨脹系數(shù)差異過大，在表面陶瓷涂層和合金基體之間加了一層金屬粘結(jié)層，主要成分是MCrAlY 抗高溫氧化合金(M 為Ni 或Co)。 NiCoCrAlY 粘結(jié)層的抗氧化、抗高溫、抗腐蝕等綜合性能較好，因此許多航空發(fā)動(dòng)機(jī)在生產(chǎn)時(shí)使用了NiCoCrAlY 作為熱障涂層的粘結(jié)層[3-6]。

熱障涂層產(chǎn)生裂紋失效的地方大多在陶瓷層與粘結(jié)層的結(jié)合處[7，8]。 這是由于除Al 之外，Ni、Cr 等原子容易被氧化，它們產(chǎn)生的氧化物結(jié)構(gòu)松散并且脆性很大，容易導(dǎo)致氧化層處產(chǎn)生裂紋乃至斷裂。 所以，應(yīng)對(duì)熱障涂層失效的關(guān)鍵就在于阻止氧氣的擴(kuò)散[9]。 因此提出在粘結(jié)層表面利用強(qiáng)流脈沖電子束對(duì)其進(jìn)行輻照，使粘結(jié)層淺表層發(fā)生熔化，使粘結(jié)層中Al 元素析出與氧氣反應(yīng)，以此來增加粘結(jié)層表面的氧化膜從而阻止氧氣的擴(kuò)散，提升粘結(jié)層耐氧化性能[10-12]。

改良電子束表面改性工藝以及研究材料性能的重要方法是研究強(qiáng)流脈沖電子束表面改性時(shí)材料表面的溫度分布情況[13-16]。 使用強(qiáng)流脈沖電子束對(duì)材料轟擊時(shí)，材料表層會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)的溫度分布[17]，生產(chǎn)實(shí)踐與試驗(yàn)中粘結(jié)層溫度變化過快，現(xiàn)有測(cè)試條件難以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)研究溫度場(chǎng)測(cè)量，因此本工作采用有限元分析軟件模擬強(qiáng)流脈沖電子束轟擊粘結(jié)層的計(jì)算，對(duì)強(qiáng)流脈沖電子束轟擊粘結(jié)層溫度場(chǎng)進(jìn)行初步分析[18，19]。

1 有限元模型溫度場(chǎng)建立

1.1 ABAQUS 簡(jiǎn)介

ABAQUS 是以CAE 理論為基礎(chǔ)研發(fā)的一款大型通用有限元計(jì)算分析軟件，ABAQUS 軟件中有一個(gè)內(nèi)容涵蓋十分廣的單元庫，這使得使用者在求解復(fù)雜問題上存在很大優(yōu)勢(shì)。 由于ABAQUS 軟件可模擬熱傳導(dǎo)分析，并且無論是在隱式求解上，還是在顯示求解上，都能給出令人滿意的結(jié)果[20]，本工作采用ABAQUS 進(jìn)行溫度場(chǎng)的相關(guān)模擬分析。

1.2 有限元物理模型建立

在建立模型前，做出如下的假設(shè):

(1)電子束轟擊時(shí)能量集中在表面，忽略樣品表層的能量沉積，并且能量均勻分布在表面；

(2)粘結(jié)層屬性各向同性；

(3)電子束改性假定在真空下進(jìn)行，忽略樣品表面的對(duì)流換熱；(4)模型表面假設(shè)是平整的，采用平面界面形貌；(5)假定模型尺寸極小，可完全被強(qiáng)流脈沖電子束覆蓋。

設(shè)立該三維模型，采用熱傳遞分析，長寬高均為50 μm，如圖1 所示。 賦予該部件屬性時(shí)，需要設(shè)定材料各向同性，具體粘結(jié)層MCrAlY 物理參數(shù)如表1。

表1 粘結(jié)層MCrAlY 的熱物理參數(shù)Table 1 Thermophysical parameters of bonding layer MCrAlY

圖1 粘結(jié)層模型Fig.1 Bond coating model

1.3 網(wǎng)格劃分

有限元分析時(shí)，網(wǎng)格劃分越密計(jì)算結(jié)果越趨近于真實(shí)解。 要協(xié)調(diào)好計(jì)算精確度、 計(jì)算效率、存儲(chǔ)空間這3 個(gè)部分的權(quán)重，在滿足需要的計(jì)算精確度的條件下，需盡量使得計(jì)算效率高、存儲(chǔ)空間小。

該模型是熱分析，需要采用二次傳熱六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。 由于在強(qiáng)流脈沖電子束轟擊之下，粘結(jié)層中的溫度影響僅為幾十微米，為增加計(jì)算效率、節(jié)省存儲(chǔ)空間，只需細(xì)分粘結(jié)層表面幾十微米深度的網(wǎng)格。 具體網(wǎng)格劃分方式是20 節(jié)點(diǎn)單元整體布種，采用單精度選項(xiàng)控制大小，其中表層最小節(jié)點(diǎn)尺寸是2.5 μm×2.5 μm×0.4 μm，最大節(jié)點(diǎn)2.5 μm×2.5 μm×2.5 μm。 具體網(wǎng)格劃分如圖2 所示。

圖2 粘結(jié)層網(wǎng)格劃分Fig.2 Bond coating mesh generation

1.4 載荷的施加及溫度場(chǎng)的設(shè)定

由于建立的分析步是熱傳遞，采用施加面熱流密度載荷的方式來模擬強(qiáng)流脈沖電子束，即將強(qiáng)流脈沖電子束能量密度、脈沖時(shí)間等參數(shù)轉(zhuǎn)化為面熱流密度進(jìn)行研究。 強(qiáng)流脈沖電子束的能量密度、脈沖時(shí)間與熱通量之間的關(guān)系滿足下列函數(shù):

由此可推導(dǎo)出不同能量和脈寬強(qiáng)流脈沖電子束所對(duì)應(yīng)的熱通量。 幾種不同脈沖電子束時(shí)間與熱通量之間的關(guān)系見圖3。

圖3 6.0 μs 脈寬強(qiáng)流脈沖電子束熱通量函數(shù)Fig.3 6.0 μs HCPEB heat flux function

溫度預(yù)定義場(chǎng)設(shè)為293 K，即將初始環(huán)境溫度設(shè)置為室溫。 定義完載荷后將載荷施加于粘結(jié)層表層，進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度場(chǎng)模擬

利用ABAQUS 模擬強(qiáng)流脈沖電子束轟擊粘結(jié)層的過程，模擬完畢后采用NT11 節(jié)點(diǎn)溫度場(chǎng)輸出繪制云圖，得出不同能量強(qiáng)度和脈寬的電子束轟擊粘結(jié)層模擬出的溫度場(chǎng)。 如圖4 所示，分析了不同能量強(qiáng)度、不同脈寬下對(duì)粘結(jié)層深度溫度場(chǎng)和瞬時(shí)表面溫度的影響。 當(dāng)4 J/cm2，0.8 μs 時(shí)，表面溫度最高為1 010 K，當(dāng)4 J/cm2，6.0 μs 時(shí)，表面溫度最高為1 916 K，當(dāng)6 J/cm2，6.0 μs 時(shí)，表面溫度最高為2 867 K，當(dāng)6 J/cm2，15.0 μs 時(shí)，表面溫度最高為3 964 K。

圖4 不同能量強(qiáng)度不同脈寬電子束轟擊粘結(jié)層的溫度場(chǎng)云圖Fig.4 HCPEB temperature field of bonding layer at different energy intensity and pulse width

2.2 不同能量強(qiáng)度電子束對(duì)粘結(jié)層深度溫度場(chǎng)的影響

圖5 為不同能量強(qiáng)度脈寬相同(6.0 μs)的電子束轟擊粘結(jié)層溫度場(chǎng)分析。 當(dāng)脈寬都為6.0 μs 時(shí)，6 J/cm2能量強(qiáng)度時(shí)表面溫度最高并且溫度場(chǎng)輻射范圍最大，在深度8.5 μm 時(shí)達(dá)到室溫，4 J/cm2能量強(qiáng)度時(shí)溫度場(chǎng)影響范圍到深度約8.4 μm 為止。 2 J/cm2能量強(qiáng)度電子束到7.5 μm 時(shí)下降到室溫。 當(dāng)脈寬都為6.0 μs 時(shí)，2 ～6 J/cm2能量強(qiáng)度的電子束在溫度影響范圍上差異并不大，都僅在8 μm 左右，表明粘結(jié)層材料的熱傳遞效率較低，能量的轉(zhuǎn)換效率不高。

圖5 不同能量強(qiáng)度6.0 μs 電子束轟擊粘結(jié)層的溫度場(chǎng)Fig.5 6 μs HCPEB temperature field of bonding layer at different energy intensity

2.3 不同脈寬電子束對(duì)粘結(jié)層溫度場(chǎng)的影響

圖6 為不同脈寬電子束對(duì)粘結(jié)層溫度場(chǎng)的影響。在同為4 J/cm2能量密度下，不同脈寬電子束隨深度變化是不同的，溫度場(chǎng)變化十分明顯。 其中6.0 μs 脈寬電子束轟擊時(shí)表面溫度最高，并且直到約8.4 μm 時(shí)才恢復(fù)室溫293 K，即電子束轟擊粘結(jié)層溫度場(chǎng)變化范圍是從表面到8.4 μm 深度。 而1.5 μs 脈寬電子束轟擊時(shí)表面溫度次高，4.4 μm 深度以下恢復(fù)室溫。 0.8 μs電子束影響溫度范圍最小，表面溫度也最小，只能影響到3.4 μm 以內(nèi)。

圖6 不同脈寬4 J/cm2 能量密度電子束轟擊粘結(jié)層的溫度場(chǎng)Fig.6 4 J/cm2HCPEB temperature field of bonding layer at different pulse width

同樣，對(duì)6 J/cm2能量的強(qiáng)流脈沖電子束不同脈寬情況下所造成的粘結(jié)層深度溫度影響做了分析，如圖7。 當(dāng)脈寬為15.0 μs 時(shí)表面溫度最高，影響范圍也最大，當(dāng)深度達(dá)到15.3 μm 時(shí)恢復(fù)室溫。 6.0 μs 時(shí)溫度輻射范圍達(dá)到8.5 μm，脈寬1.5 μs 時(shí)深度到4.4 μm 時(shí)回到室溫。 而脈寬為0.8 μs 時(shí)溫度最低，且溫度影響范圍也最小，深度到3.8 μm 時(shí)即降至室溫。 由此可知，脈寬越大，粘結(jié)層最高溫度和溫度影響范圍也越大。相同能量密度不同脈寬粘結(jié)層溫度隨深度變化的降低速率大體一致。

圖7 不同脈寬6 J/cm2 能量密度電子束轟擊粘結(jié)層的溫度場(chǎng)Fig.7 6 J/cm2HCPEB temperature field of bonding layer at different pulse width

2.4 不同電子束隨時(shí)間變化對(duì)粘結(jié)層表面溫度場(chǎng)的影響

研究分析了不同脈寬、不同強(qiáng)度強(qiáng)流脈沖電子束隨時(shí)間變化對(duì)粘結(jié)層表面溫度場(chǎng)的影響，如圖8。 0.8 μs 脈寬電子束轟擊粘結(jié)層時(shí)的情況，4 J/cm2能量密度電子束轟擊時(shí)表面溫度到0.35 μs 時(shí)達(dá)到最大值，為1 010 K，當(dāng)6 J/cm2時(shí)表面溫度到0.34 μs 時(shí)到最大溫度，為1 296 K。

圖8 不同能量強(qiáng)度0.8 μs 脈寬電子束轟擊粘結(jié)層的表面溫度場(chǎng)Fig.8 0.8 μs HCPEB surface temperature field of bonding layer at different energy intensity

圖9 是6.0 μs 脈寬強(qiáng)流脈沖電子束轟擊粘結(jié)層的溫度場(chǎng)，分析可知相同脈寬的不同能量密度的電子束都在大致相同的時(shí)間達(dá)到最大值。

圖9 不同能量強(qiáng)度6.0 μs 脈寬電子束轟擊粘結(jié)層的表面溫度場(chǎng)Fig.9 6.0 μs HCPEB surface temperature field of bonding layer at different energy intensity

表2 是不同脈沖電子束轟擊粘結(jié)層溫度場(chǎng)的主要測(cè)量值，使粘結(jié)層達(dá)到改性的溫度為1 728 K，根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果可知使粘結(jié)層達(dá)到熔點(diǎn)發(fā)生改性的電子束應(yīng)該

表2 不同脈沖電子束主要測(cè)量值Table 2 The main measured values of HCPEB

為能量密度為4 J/cm2、脈沖時(shí)間為6.0 μs，或能量密度 達(dá)到6 J/cm2時(shí)、脈寬在1.5 μs 以上。

3 結(jié) 論

(1)當(dāng)強(qiáng)流脈沖電子束脈寬固定時(shí)，不同能量密度的電子束在溫度影響范圍上差異并不大，表明粘結(jié)層材料的熱傳遞效率較低，能量難以傳遞到其內(nèi)部。

(2)當(dāng)強(qiáng)流脈沖電子束能量密度固定、脈沖時(shí)間不固定時(shí)，電子束轟擊試樣時(shí)試樣內(nèi)的溫度場(chǎng)分布變化較大，脈寬越大，粘結(jié)層最高溫度和溫度影響范圍也越大。 相同能量密度不同脈寬溫度隨深度變化的降低速率也是大體一致的。

(3) 相同脈寬的不同能量密度的電子束都在大致相同的時(shí)間表面溫度達(dá)到最大值，同時(shí)它們的降溫速率也大致相同。

(4) 能量密度為4 J/cm2、脈沖時(shí)間為6.0 μs，或能量密度達(dá)到6 J/cm2脈寬在1.5 μs 以上時(shí)可使粘結(jié)層發(fā)生改性。