热障涂层陶瓷层/TGO界面开裂行为的有限元模拟

目的更好地理解热障涂层在热循环条件下的失效行为。方法采用有限元方法引入了内聚力模型,研究热障涂层在多次热循环条件下的界面开裂行为,并且考虑了陶瓷层厚度和粘结层厚度对界面开裂行为的影响。结果涂层最先在陶瓷层/TGO层界面的波峰与波谷之间开裂,此外在界面波谷处也存在开裂现象。当陶瓷层厚度在300~500μm范围内,界面裂纹的平均长度随陶瓷层增厚而增长,裂纹密度也随之增加。粘结层厚度为50μm时,界面裂纹的平均长度为15μm;当厚度增加到100μm时,界面裂纹平均长度减少到10μm;而厚度为150μm时,界面裂纹平均长度又提高至12μm。当粘结层与陶瓷层厚度比在0.2~0.4的范围内时,陶瓷层/TGO层界面上的最大拉应力最小。结论陶瓷层厚度和粘结层厚度对热障涂层界面开裂行为的影响极大,小厚度陶瓷层以及当粘结层与陶瓷层厚度比在0.2~0.4的范围内时,热障涂层具有更好的抗界面开裂能力。粘结层厚度不宜过大,超过一定厚度时反而会降低涂层的抗界面开裂能力。计算结果与文献报道的结果相近,证明了模拟结果的准确性。

热障涂层倒圆和倒角结构的优化设计

用有限元方法对热障涂层倒圆和倒角结构进行优化设计,研究倒圆和倒角的尺寸以及倾斜角对涂层中最大等效应力的影响。结果表明,过渡类型对涂层中最大等效应力影响极大。当在喷涂后对热障涂层边沿进行倒圆和倒角处理时,小角度倒角处理最好;当在喷涂前对基底边沿进行倒圆和倒角处理时,45°角倒圆处理具有最优的结果;但当在喷涂后对热障涂层局部区域进行倒圆和倒角处理时,小的倾斜角又是最安全的。此外,在倾斜角保持45°不变的前提下,当倒圆和倒角在厚度方向的长度等于涂层总厚度时涂层中的最大等效应力最小。