热力循环载荷作用下热生长氧化物TGO的失效机理及其数值模拟研究

Thermal barrier coating systems are widely used in the key components of mechanical parts in turbines at the elevated temperature in service， due to its superior heat insulation and high temperature stability to sustain an appreciable temperature difference between the load bearing alloy and the coating surface. The fracture of TGO itself subject to multiple thermal-mechanical cycles is one of the important failure phenomena occurred in TBCs which can adversely reduce the thermal protection of coatings from high temperature, while it is rarely mentioned in current researches. It is necessary to attempt to investigate the failure mechanism in TGO itself to improve the efficiency of high temperature insulation of TBC system. In this work, we will explore the inducement to crack initiation for TGO, search for the cause of residual stresses and compressive stress due to TGO formation at high temperature, and build up the numerical simulation procedure and experiment measurement which can break up the limitation of TGO thickness and model the actual phenomenon of TGO formation at elevated temperature cycle by cycle. The method can be concluded with our efforts which can predict the strength and TGO failure pattern and it can provide references for the future work such as the design improvement and as another option for material selection in TBC system.

热障涂层系统具有良好的隔热效果和高温热稳定性，广泛地应用在热端零部件上，热生长氧化物TGO(Thermally Grown Oxide)的断裂失效是热障涂层系统在热力循环作用下的主要失效形式之一，目前研究少有涉及。为进一步探索热障涂层系统的稳定性，有必要对热力循环载荷作用下TGO本身的失效机理进行研究。本项目拟采用理论、实验和数值模拟相结合的方法对高温热力循环载荷作用下TGO的断裂失效机理进行研究，探索热力循环载荷下TGO层残余应力和热生长应力的形成、TGO断裂失效机理及其影响因素，建立不受TGO厚度限制，并能反映热循环内TGO生长物理过程的数值模拟方法。形成热力循环下TGO断裂失效的强度预测方法，为进一步改善涂层系统设计和涂层材料的优化选择提供了技术参考。

热障涂层系统（TBCs）因具备良好的耐热性和抗氧化性等优异性能被广泛应用于航空工业的热端部件，本项目对TGO在热力循环过程中的断裂失效行为开展了研究，结果可为热障涂层系统结构的优化设计提供参考。.（1）热生长氧化物TGO残余应力场分析和TGO断裂力学行为的研究。 以Fecralloy合金基体为研究对象，建立了金属矩形薄板系统承受热氧化循环载荷和其两端施加机械力拉伸载荷的热机耦合力学分析模型，定性推导了TGO的残余应力计算公式，并根据真实的材料参数，定量地计算了残余应力大小。根据实验观察，确定了I型裂纹为主导的TGO裂纹扩展形式和基于裂纹张开位移COD的断裂准则，为后续研究裂纹扩展奠定基础。.（2）热生长氧化物TGO高温生长环境下力学性能参数的实验研究。通过分析发动机叶片TBCs的真实工况，借鉴Karlsson及国内其他学者的研究成果，对TBCs的力学模型进行了优化和简化，确定了用于研究的循环次数为24个和包括TGO、BC和金属基体的三层分析模型。采用自己研发的微机控温蠕变试验机，进行了不同温度、不同机械力载荷下的多组热机耦合循环载荷实验，获得了TGO等材料随着温度变化的材料参数、TGO生成与高温氧化时间的关系曲线、以及机械力载荷作用下TGO和金属基体的蠕变特性曲线，为后续基于真实材料参数（材料属性、TGO真实厚度等）开展数值模拟研究提供了数据参考。.（3）热生长氧化物TGO热力循环载荷作用下变形破坏的数值模拟研究。本项目研究的关键就是要突破传统数值模拟程序对TGO厚度的限制，要实现热氧化循环载荷过程中TGO随着氧化时间增加而非均匀生长的数值模拟过程，因此，本项目在研究过程中，通过自编UMAT程序成功实现了模拟TGO逐层非均匀的生长过程，基于COD断裂准则，建立了多参数变化的基于TGO真实生长过程的断裂扩展模拟的有限元分析模型，较好地实现了TGO断裂力学行为的研究，与实验观察结果取得了较好的吻合度，另外，基于此程序，还研究了混合氧化区域对TGO不稳地性的影响，结果可以为热障涂层结构的进一步优化，提高其服役性能提供参考。