CMAS冲蚀对YSZ热障涂层残余应力及其失效机制影响的有限元数值模拟研究
编号:288 访问权限:仅限参会人 更新:2022-10-02 20:58:18 浏览:9次 口头报告

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摘要
       航空发动机运行时,发动机燃烧室通常会吸入火山灰、砂石、瓦砾等颗粒(主要成分为CaO-MgO-Al2O3-SiO2, CMAS)。CMAS颗粒往往会以非常高的速度(甚至高达几百米/秒)在极短的时间(通常为几十纳秒)内撞击到燃气轮机涡轮叶片的热障涂层表面, 随后CMAS在极高的表面温度作用下,发生融化,并沿着热障涂层表面裂纹和孔隙渗透进入热障涂层陶瓷层内部,对热障涂层产生侵蚀。在CMAS对热障涂层陶瓷层产生侵蚀作用前,硬质的固态CMAS颗粒已经对热障涂层的表面产生了冲蚀作用,从而引起热障涂层体系残余应力的改变,并诱发裂纹的萌生与扩展。而该冲蚀作用产生的裂纹与原先存在的裂纹一起构成了CMAS后续侵蚀的通道,加速了CMAS对热障涂层陶瓷层的侵蚀破坏。在该工作中,以大气等离子喷涂YSZ热障涂层为研究对象。采用有限元显示动力学模拟方法,对CMAS粒子在不同接触方式、不同冲蚀速度和不同冲蚀角度下对热障涂层表面冲蚀作用的物理损伤行为进行了模拟,对涂层表面和沿着界面路径的残余应力分布情况进行了系统的分析。研究结果表明:CMAS粒子冲蚀时接触方式的不同对涂层表面残余应力有显著影响,接触方式不同,裂纹产生的方式和类型也有差异。冲蚀速度的增大使接触位置周围产生了不可恢复的变形,加剧了YSZ顶层的应力状态,并使界面处的残余应力更加严重,从而诱发表面裂纹产生并可能引发涂层的分层失效。进一步采用高压喷砂的方法, 开展了棕刚玉砂(主要成分为CMAS中的Al2O3)对YSZ涂层表面冲蚀作用行为的研究。探究了喷砂角度的变化对涂层裂纹的萌生和扩展的影响,并揭示了涂层的失效机制。使用扫描电子显微镜(SEM)表征了涂层冲蚀后的损伤形态。研究结果发现,冲蚀角度越大,涂层损伤情况越严重,在90°时达到最大值,YSZ顶层发生破碎与局部脱落,低冲蚀角度下,粒子主要通过切削作用对涂层造成损伤,且切削处的划痕和沟壑中有微裂纹的产生。
关键词
热障涂层;CMAS冲蚀;有限元模拟;残余应力;裂纹扩展
报告人
王亮
副研究员 中国科学院上海硅酸盐研究所

稿件作者
王亮 中国科学院上海硅酸盐研究所
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重要日期
  • 会议日期

    11月11日

    2022

    11月13日

    2022

  • 11月15日 2022

    初稿截稿日期

  • 11月20日 2022

    注册截止日期

主办单位
中国机械工程学会表面工程分会
承办单位
武汉材料保护研究所有限公司
特种表面保护材料及应用技术国家重点实验室
协办单位
中国科学院兰州化学物理研究所
中国科学院宁波材料技术与工程研究所
中国科学院上海硅酸盐研究所
中国科学院金属研究所
广东省新材料研究所
大连理工大学
西安交通大学
北京科技大学
西南交通大学
哈尔滨工业大学
联系方式
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