热喷涂3D打印制备孤立纳米YSZ厚热障涂层的内应力演化特性的模拟计算研究

孤立厚涂层通常被用来测试涂层的热物理性能,如热膨胀系数、热扩散系数、比热容等.不同形状的孤立厚陶瓷涂层通常通过在不同形状的石墨模具上采用等离子体喷涂增材制造的方法制备.采用有限元“生死单元”模拟技术对3D打印增材制造过程中的纳米结构YSZ热障涂层的残余应力进行了有限元模拟.考虑了方形、圆柱形、六棱柱及星柱形四种结构的石墨模具,系统计算并比较了四种石墨模具制备的厚涂层的应力分布特征.研究结果表明:在厚涂层的侧面存在较大的压应力集中,最大压应力往往分布在柱的边角或边缘处.对于热喷涂3D打印圆柱状厚涂层,压应力连续分布在厚涂层侧面的环形面上.对于四种类型的厚涂层,热喷涂3D打印圆柱状厚涂层在x,y,z三个方向上最大压应力值最小,分别为-19.574 MPa,-19.565 MPa和-56.569 MPa.且x,y,z三个方向上应力梯度变化最小(分别为0.169 MPa/mm,0.173 MPa/mm,0.0218×10-3 MPa/mm),而星柱型厚涂层x,y,z三个方向上应力变化梯度最大(分别为2.344 MPa/mm,14.092 MPa/mm,2.171 MPa/mm).涂层的应力随着涂层厚度的增大而增大,且纳米结构涂层的应力低于传统结构涂层的应力.通过应力状态及应力大小的调控,将会促进YSZ涂层的铁弹性相变,进一步提高涂层的断裂韧性,从而有望进一步提高涂层的抗热震性能.

等离子体喷涂环境障涂层高温失效研究进展

环境障涂层因具有良好的抗高温水氧腐蚀能力而备受关注,但是由于外部砂粒等对涂层表面的侵蚀作用,仅能满足抗水氧腐蚀,还不能达到未来航空器高温部端的要求,CMAS腐蚀是对环境障涂层的另一个挑战。环境障涂层多采用等离子体喷涂工艺制备。由于涂层在经历高低温冲击时,会不可避免地发生失效。针对这一事实,文中对涂层失效种类和失效方式进行了总结和归纳,同时还介绍了环境障涂层的产生和发展历程。从微观、介观到宏观的维度介绍了环境障涂层的选材;通过分析国内外在环境障涂层方面的研究结果,结合计算模拟对CMAS引起的失效、高温水蒸气引起的失效以及热冲击引起的失效,进行了详细的阐述并总结了相应的失效机理;最后指出了环境障涂层面向应用仍然需要解决的问题以及未来的研究趋势。

热障涂层裂纹扩展的数值模拟研究进展

大气等离子喷涂(APS)制备的热障涂层(TBCs)在热循环过程中由于热应力的累积引起热生长氧化物(TGO)界面周围裂纹的扩展,最终导致涂层的失效。深入了解热障涂层的裂纹萌生、扩展问题,对评估TBCs的可靠性和耐久性具有重要意义。实际上,在TBCs的制造和使用过程中,后续的实验表征方法并不能反映其真实情况。有限元计算(FEM)在这些问题的研究中起着重要的作用,特别是在计算热障涂层的隔热和断裂失效问题上非常有效。综述了有限元法在裂纹形态、裂纹位置、裂纹密度对涂层界面应力的影响及相关失效问题研究中的研究进展。随着有限元技术的发展,采用基于虚拟裂纹闭合技术(VCCT)、扩展有限元法(XFEM)和内聚力模型(CZM)研究TBCs的裂纹扩展行为,利用这些方法可以对TBCs的失效模式进行实时动态监测,最终实现TBCs在实际使用条件下的寿命预测。