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锆酸镧EB-PVD涂层跨尺度力学性能表征及断裂损伤机理研究

锆酸镧EB-PVD涂层跨尺度力学性能表征及断裂损伤机理研究

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作者：纪铮钊天津工业大学

学位级别：硕士

电子束物理气相沉积(Electron Beam Physical Vapor Deposition,EB-PVD)是一种新型的涂层制备技术,是将具有耐高温、低热导、抗腐蚀等性能的陶瓷材料以涂层的形式沉积在金属基体表面。这种技术制造的热障涂层系统(Thermal Barrier Coati... 详细信息

电子束物理气相沉积(Electron Beam Physical Vapor Deposition,EB-PVD)是一种新型的涂层制备技术,是将具有耐高温、低热导、抗腐蚀等性能的陶瓷材料以涂层的形式沉积在金属基体表面。这种技术制造的热障涂层系统(Thermal Barrier Coating system,TBCs)广泛用于推进引擎和燃气轮机等行业。由于EB-PVD涂层工艺参数多样、基材工件形状复杂及微观结构被忽视,使得沉积涂层的在服役过程中的损伤裂纹形貌分布难以被定性表征,损伤裂纹的尺寸参数更难以被定量计算。本研究基于有限元(Finite Element Method,FEM)数值实验中提供的多物理场,模拟真实EB-PVD工艺沉积的真实环境,运用射线追踪法对涡轮叶片上涂层厚度分布进行宏观上的预测。由于高斯型分布热源与射线强度的分布具有高度的相似性,为传热法预测涂层厚度提供了可能性,且传热算法同样可以对叶片等复杂构件上的涂层厚度进行预测。离散元(Discrete Element Method,DEM)以微观颗粒代表物理材料介质,在受到外部载荷时涂层模型内部损伤裂纹所出现的位置以及损伤裂纹几何尺寸信息都能够被记录下来,为研究涂层内部的破裂发展问题提供了很好的解决办法。运用离散元微观颗粒之间的力-位移定律,探究宏观与微观力学参数之间的联系,并结合有限元中所预测的涂层厚度以及弹性模量、维氏硬度等宏观力学参数为热障涂层系统建立相应的离散元涂层模型。最后,在建立的离散元涂层模型上展开颗粒冲击、微观压痕以及褶皱剪切数值实验,以微观力学的角度对涂层内部以及界面的损伤现象进行表征,并结合失效准则与裂纹失效应力和内部主应力对损伤的形成和扩展的机理进行定性描述,对损伤裂纹的穿透深度和结合界面裂纹长度进行具体的测算。本研究建立了热障涂层力学性能分析的跨尺度离散元模型,并揭示了热障涂层系统在颗粒冲击、分层开裂以及褶皱剪切情况下涂层内部以及结合界面失效形貌特征以及损伤机理。

关键词：电子束物理气相沉积锆酸镧涂层涂层厚度预测微观力学有限元离散元

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