[发明专利]一种热障涂层界面开裂预测方法

说明书

本发明涉及一种热障涂层界面开裂预测方法，包括以下步骤：步骤S1:构建热障涂层二维几何模型；步骤S2:划分网格，并在TGO/TC与TGO/BC界面插入内聚力单元；步骤S3:分别对TC层、TGO层、BC层以及SUB层设置各层参数，给TGO/TC与TGO/BC界面内聚力单元添加损伤参数；步骤S4:装配热障涂层二维几何模型，并设置粘性分析步一个热循环载荷时间为T；步骤S5:在热障涂层二维几何模型左侧施加对称边界条件,右侧施加周期性边界条件MPC多点耦合约束条件，底部约束y方向自由度；步骤S6:通过自定义振幅曲线施加分析步热循环载荷；步骤S7:循环步骤S6完成预设次数的热载荷循环，得到热障涂层二维几何模型的开裂预测结果。本发明能够有效预测热障涂层界面裂纹形核位置与扩展情况。

技术领域

本发明涉及隔热防护涂层领域，具体涉及一种热障涂层界面开裂预测方法。

背景技术

燃气轮机是现代航空工业的重要支柱，是国家重大装备制造水平的标志。热障涂层技术是发展先进重型燃气轮机的核心技术之一，它在轮机基体表面覆盖一层具有低热导率、高稳定性的隔热材料，不仅具有热障效果，而且还能防止氧化、腐蚀以及外来物冲蚀等对叶片造成的损伤。目前，F级重型燃气轮机的燃气温度已达到1400℃，未来重型燃气轮机的燃气温度将超过1700℃。极端高温的工作环境下，加剧了热障涂层的失效破坏，极大缩短了燃气轮机的安全服役寿命，所以研究热障涂层的失效机理对提高燃气轮机的安全性具有重要意义。

经典的热障涂层系统(TBCs)是在镍基超合金基底(SUB)上覆盖一层顶部陶瓷层(TC)，在中间有一层金属粘结层(BC)，粘接层不仅使得陶瓷层能牢固附着在基底上，而且能够降低由于陶瓷层和基底的热膨胀系数失配产生的失配应力。通常陶瓷层的主要材料为氧化钇部分稳定氧化锆(YSZ)，粘结层为MCrAlY(M代表Ni或Co或Co+Ni)。初期，在高温服役条件下，由于元素扩散，在陶瓷层与粘结层界面之间，粘结层的Al与陶瓷层的O结合而生成一层很薄的热生长氧化物(TGO)，其主要成分为Al₂O₃。TGO的形成阻止粘结层氧化的进一步发生，在一定程度上减缓了粘结层氧化速率，但随着服役时间的增加，TGO中致密的为Al₂O₃与镍、铬的氧化物发生反应，生成了尖晶石等氧化物。为Al₂O₃的耗尽将极大提高粘结层氧化速率，为Al₂O₃的慢速生长转变为尖晶石的快速增长导致TGO层产生巨大的应力，同时TGO层内部出现大量孔洞和微裂纹。随着微裂纹的不断萌生、扩展，最终导致大量裂纹贯穿，形成涂层大范围屈曲、剥落。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种热障涂层界面开裂预测方法，能够有效预测热障涂层界面裂纹形核位置与扩展情况。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种热障涂层界面开裂预测方法，包括以下步骤：

步骤S1:构建热障涂层二维几何模型，模型包括陶瓷层TC、氧化层TGO、粘结层BC、和镍基合金基底SUB；

步骤S2:划分网格，并在TGO/TC与TGO/BC界面插入内聚力单元；

步骤S3:分别对TC层、TGO层、BC层以及SUB层设置各层的杨氏模量、泊松比、热膨胀系数、蠕变参数，给TGO/TC与TGO/BC界面内聚力单元添加损伤参数；

步骤S4:装配热障涂层二维几何模型，并设置粘性分析步一个热循环载荷时间为T；

步骤S5:在热障涂层二维几何模型左侧施加对称边界条件,右侧施加周期性边界条件MPC多点耦合约束条件，底部约束y方向自由度；

步骤S6:设置初始温度为C，通过自定义振幅曲线施加分析步热循环载荷；

步骤S7:循环步骤S6完成预设次数的热载荷循环，得到热障涂层二维几何模型的开裂预测结果。