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    汇报PPT-热障涂层冲蚀失效的机理浅析.ppt

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    汇报PPT-热障涂层冲蚀失效的机理浅析.ppt

    热障涂层冲蚀失效的机理浅析,2011年10月小组讨论,,,,1. 研究背景冲蚀概念与重要性,2,汇报内容,2. 热障涂层的冲蚀破坏机理理论分析,3. 热障涂层的冲蚀破坏机理试验方法,4. 热障涂层的冲蚀研究工作设想,3,1953年,美国的NASA-Lewis研究中心提出了热障涂层thermal barrier coatings,简称TBCs概念。,N. N. Padture, M. Gell, E. H. Jordan. Science, 2002, 296 280-284.,热障涂层是航空涡轮发动机高温环境部件的关键材料,Click to add Text,耐高温 耐热震 保护高温部件 减少燃油消耗 延长器件寿命,1. 研究背景热障涂层TBCs概念,4,周益春, 刘奇星, 杨丽, 吴多锦, 毛卫国. 固体力学学报, 2010, 315504-531.,金属基底材料,金属基底材,,热障涂层的失效是航空工业的致命威胁,5,冲蚀Erosion失效外来粒子损伤FOD,,,,,,,外来粒子外环境以及燃烧室的 杂质,X Chen, A. G. Evans, J. W. Hutchinson, et al. Mat. Sci. Eng. A, 2003, 352221-231,6,冲蚀失效研究目的与难点,冲蚀破坏机理,关键因素,分析方法,冲蚀机理研究的困难 1. 实验上冲蚀设备 粒子的速度、尺寸、冲击方向 TBCs的运动状态及损伤的检测方法 2. 理论上不同大小、速度、方向的粒子反复动态冲击响应 3. 有限元模拟,7,两种TBCs的冲蚀失效研究现状,研究现状 1. 国内关于热障涂层冲蚀的实验与理论研究几乎没有; 2. 国外实验设备 理论有限元针对EBPVD TBCs陈曦、Fleck,8,2. 热障涂层的冲蚀破坏机理失效模式,,,X. Chen, A. G. Evans, J. W. Hutchinson, et al. Wear, 2004, 256735-746 N. A. Fleck, Th. Zisis. Wear, 2010, 2681214-1224,方式 I 动弹性区elasti-dynamic regime 小粒子、低速度,9,方式II准静态弹性压痕quasi-static elastic indentation 中粒子、中速,10,,,Kind band,方式III准静态塑性压痕plastic quasi-static indentation 大粒子、高速,delamination,11,2. 热障涂层的冲蚀破坏机理理论分析,X. Chen, A. G. Evans, J. W. Hutchinson, et al. Wear, 2004, 256735-746 X. Chen, J. W. Hutchinson. J. Mech. Phys. Solids, 2002, 502669-2690 X Chen, A. G. Evans, J. W. Hutchinson, et al. Mat. Sci. Eng. A, 2003, 352221-231,,,,失效准则,,,12,参数无量纲化,,,,定值,13,外来粒子与陶瓷层碰撞时,发生能量交换,引入无量纲的时间,14,有限元模拟模型与边界条件,边界条件,有限元计算参数,材料性质理想弹塑性,TBC高度为hTBC直径为d,间隙为g的圆柱组成,15,,,,,,定值,16,17,抗力指标模式I,1.塑性区在陶瓷层内产生分层裂纹的条件,B. R. Lawn, Fracture of Brittle Solids,Cambridge University Press, Cambridge, 1993,18,,,,抗力指标,2.塑性区达到TGO层,19,抗力指标模式II,,裂纹扩展准则,,抗力指标,20,抗力指标模式III,,简化成I型裂纹,此时,21,,22,交变载荷作用下,裂纹扩展,裂纹扩展准则,抗力指标,,23,小结,1.通过无量纲参数的选取,利用有限元模拟找出决定冲蚀失效的主要因素是冲击能。 2.建立了三种失效方式下冲蚀失效的抗力指标。,基本的参数分析有限元模拟,24,N. A. Fleck, Th. Zisis. Wear, 2010, 2681214-1224,2. 热障涂层的冲蚀破坏机理理论分析,1. 动弹性区elasto-dynamic regime,b,25,运用牛顿第二定律,并积分,粒子的速度变化,最大穿透深度,动弹性区持续时间,26,2. 准静态弹性压痕区quasi-static, elastic indentation,,运用牛顿第二定律,并积分,,,27,3. 准静态塑性压痕区plastic quasi-static indentation,平均接触应力,压痕深度为 的压力为,运用牛顿第二定律,并积分,,28,Fleck的模型发现,解析解是否正确,借助有限元模拟来检验,29,有限元模拟模型与边界条件,29,边界条件,有限元计算参数,材料性质理想弹塑性,TBC高度为hTBC直径为d,间隙为g的圆柱组成,30,模拟结果表明,解析解与数值解在三种情况下都吻合得非常的好,31,热障涂层冲蚀的破坏机制图,2. 准静态弹性压痕区,1. 动弹性区,3. 准静态塑性压痕区,32,各个区的极限值,1. 动弹性区,2. 准静态弹性区,粒子速度非常大,使得应变率非常高的情况下,考虑应变梯度后,假设,,33,破坏机制图,34,小结,1.对三种区域进行了解析解,用有限元方法进行了验证,并建立了冲蚀破坏机制图; 2.相对于陈曦的工作,优势在于给出了解析模型; 2.陈曦的三个抗力指标则给TBCs工艺的改进提供了一定的指导。,都只适用于EB-PVD TBCs,35,关于APS-TBC冲蚀的分析,等离子喷涂TBCs冲蚀速度模型,B. Z. Janos, E. Lugscheider, P. Remer. Surf. Coat. Technol., 1999,113278-285,36,3. 工作设想热障涂层冲蚀机理,1. APS和EBB-PVD TBCs模型的联系,,,,,37,2. APS和EBB-PVD TBCs模型的区别,EB-PVD TBCs,APS TBCs,柱状晶,层状,38,APS的微观结构不能用柱状晶简化 解析模型的适用性 有限元模拟,39,3. 遗留的热障涂层冲蚀机理,颗粒特别小,速度特别低的粒子作用TBCs后使得覆盖在陶瓷层的表面,形成一层软的疏松层,堵塞冷却气口,冲蚀疏松层的形成比陶瓷层的剥落更危险但到目前为止,国内外暂没有相关文献。,40,4. 热障涂层的冲蚀破坏机理试验方法,关键问题,试验装置 粒子大小、速度、方向的控制与测量,合二为一,3. 涂层冲蚀过程的表征 称重、测厚、SEM,原位、无损、实时检测很困难,结合自身,突出试验装置,41,R. Vaβen, F. Cernuschi, et al. adv. Eng. Mater. 2008, 10907-921,1. 法国Turbomeca burner rigs,,冲蚀颗粒,42,2. 德国FZ Jlich,平板状试样,圆柱状试样,,颗粒,43,R. W. Bruce. Tribol. T., 1998,413399-410,44,周洪,李飞等.上海交通大学,ZL200610024973.4,45,成来飞,张立同等.西北工业大学,ZL200310118966.7,46,47,张天剑,汪瑞军等.中国农业机械化科学研究院, ZL200810117863.1,48,5. 工作设想热障涂层冲蚀装置,49,,,50,51,谢谢大家,

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