快速循环热机械疲劳条件下热障涂层TGO皱褶行为演变

Thermal barrier coatings (TBCs) are often used to protect metallic components from high-temperature, high-pressure and corrosive combustion gas service environments. Although degradation of TBCs and the underlying substrate can be caused by many factors. partial delamination of the TBC is regarded as a critical failure event and delamination is strongly affected by thermally grown oxide (TGO) layer growth and rumpling (evolution of periodic undulations). This project proposes computational studies of a fast thermo-mechanical fatigue tests (TMF) of EB-PVD Y2O3-ZrO2 thermal barrier coating system with fast heating and high mechanical loading rates, short hold-times and fast cooling and unloading rates in a typical test cycle for service conditions encountered more often in a military turbine engine. A recent analytical model of TGO rumpling by Balint et al is applied to understand the evolution of the TGO rumpling behavior under various fast in-phase and out-of-phase TMF conditions. Finite element analysis of undulation behavior in TGO layers under thermomechanical fatigue with a temperature gradient in the through-thickness direction is scheduled for selected materials and TMF loading conditions. Effect of heating and mechanical loading rates and hold-times will be identified in the computations. Two types of computations are compared to check the applicability and accuracy of the analytical multilayer model solutions.

航空发动机涡轮叶片的热障涂层承受高温、高压和燃气腐蚀等复杂因素的耦合作用。蜗轮叶片热障涂层系统中的热生成氧化物（TGO）在高温环境下不断发生几何形貌和化学成分的演变，对涂层界面剥离和叶片服役寿命影响重大。本项目面向航空发动机涡轮叶片所受的快速热机械疲劳载荷（TMF）耦合作用下的应用环境，研究热力同相位耦合和反相位耦合的交变控制作用下TGO热障涂层系统TGO 几何形貌演化。项目基于Balint等的多层连续体力学模型的解析解，计算快速循环热力载荷及不同耦合形式与材料参数等多种因素对TGO皱褶行为的影响规律；对比分析三维有限元计算模型和多层连续体解析解模型结果以及文献试验数据，探明多层连续体力学模型的解析解的适用范围，为更全面理解热障涂层系统的TGO皱褶行为演变规律，提供理论指导和分析手段。

典型的航空发动机涡轮叶片热障涂层系统包括陶瓷涂层（TBC）、热致生长氧化物层（TGO）、粘结层（BC）和高温合金基体（SUB）。TGO层在高温环境下不断发生几何形貌和化学成分的演变，对热障涂层的界面剥离和服役寿命有重大影响。本项目面向航空发动机涡轮叶片所受的热机械疲劳载荷（TMF）耦合作用下的应用环境，研究热力同相位耦合和反相位耦合的交变控制作用下TGO热障涂层系统TGO几何形貌演化。项目基于多层连续体力学模型的解析解，计算快速循环热力载荷及不同耦合形式与材料参数等多种因素对TGO皱褶行为的影响规律，对比分析三维有限元计算模型和多层连续体解析解模型结果，探明了多层连续体力学模型的解析解的适用范围。项目主要结论如下：.（1）明确了外加载荷水平、加热速度、保温时间、材料物性和热力耦合形式对TGO生长的影响规律。.（2）表达热力耦合偏移程度的相位角对热障涂层TGO皱褶有着显著的影响。当外加载荷为拉力时，相位偏移60º时TGO振幅最大，当相位偏移300º时TGO振幅最小，并且这种规律不随着外加拉力的增减发生变化。当外加载荷为压力时，相位偏移对TGO皱褶的影响与外载荷为拉力时相反。.（3）当外加载荷小于60MPa时，TGO皱褶表现出轻微的正交各向异性，与解析解在此情况下的无正交各向异性略有区别。当外加载荷大于60MPa时，随着外加载荷的增大，TGO皱褶逐渐表现出明显的正交各向异性。在拉力作用下，TGO皱褶倾向于平行于加载方向分布，随着拉力的增大，相比较于解析解，三维有限元模型的各向异性程度的增加更加缓慢；在压力作用下，TGO皱褶倾向于垂直于加载方向分布，随着压力的增大，相比较于解析解，三维有限元模型的各向异性的程度增加更加明显。.（4）在广义平面应变条件下计算得到的二维有限元结果与三维有限元结果相近，平面应力与平面应变条件下的二维有限元计算结果均与三维有限元计算结果存在很大差别。