涡轮叶片等离子涂层应力分析＊

唐家鹏，李志永

（1中北大学机电工程学院，太原 030051；2北京航空航天大学，北京 100083）

0 引言

近年来，随着航空燃气涡轮机向高流量比、高进口温度方向发展，燃烧室中的燃气温度和压力也不断提高。目前，燃气温度已接近2000 K，随着对飞机高推重比的不断追求，如此高的温度是现在高温合金所不能满足的，而热障涂层的应用在很大程度上延伸了高温合金使用的温度范围［1］。

热障涂层作为一种有效的热防护技术，以其使用方便、效果显著而受到越来越多的重视。从热障涂层出现到现在其制造工艺日趋完善，已逐步由实验室研究阶段进入到使用阶段，目前，热障涂层被广泛的应用于航空发动机和能源工业中，尤其是在航空发动机的涡轮叶片中普遍应用［2］。采用热障涂层技术，可以在保持原有设计的基础上减少用作叶片冷却的空气量，因此可以提高整个发动机的推力。

1 有限元分析模型

热障涂层系统是一种多层结构，一般包括基体、金属粘结层、隔热陶瓷层，以及在涂层制备和使用过程中在粘结层与陶瓷层之间产生的热氧化层。文中研究的有限元模型的各层材料的定义为：陶瓷层为粘塑性；氧化层为弹性；粘结层为弹塑性；基体为弹塑性，各层的材料参数都是温度相关。基体材料为K423 A，该合金是在K423合金基础上研制的镍基铸造高温合金；粘结层材料为Ni22Cr10Al；氧化层材料为Al2O3；陶瓷层材料为Zr O2。

1.1 有限元模型结构

根据涡轮叶片涂层的工作特点，建立了圆管型的有限 元 模 型［3－4］，其 中 基 体 内 径 为 6 mm，壁 厚 为2 mm。热障涂层涂覆在圆管的表面来承受温度载荷的作用，圆管内部通入冷却空气来进行降温，粘结层厚度为0.1 mm，陶瓷层厚度为0.15 mm。由于模型的对称性，从试件的中部的一个截面上取氧化层的半个波长来进行研究，试件结构和有限元模型如图1所示。

1.2 模型的边界条件

由于模型的对称性，在建立的有限元模型（图1（c））的左侧边界上施加轴向（x方向）的固定位移约束，由于试件在工作过程中，承担工作载荷的主要是基体，所以在模型的右边界上施加与基体变形相同的位移约束，热障涂层的隔热降温效果一般在100℃左右，故在建立模型时，模型的内外边界采用固定温度的边界条件，模型外表面温度为1050℃，内表面温度为950℃。

图1 涂层试件模型

2 热障涂层应力分析

2.1 不同初始无应力状态温度对涂层内应力的影响

在热障涂层的有限元分析中，假设一个初始的无应力状态温度，处于此温度状态时，涂层内部不存在残余的应力，这个温度与制造涂层的工艺相关，研究中对不同的无应力状态温度对涂层内部的应力分布与变化规律进行了研究。

为研究与观察的方便，取模型的右边界上从模型内壁到外壁路径上的节点为研究的对象，可以很明显的观察到热障涂层的隔热效果，如图2所示。

观察图中的温度曲线并对照模型中的节点可知，在距模型内表面大约2.1 mm的位置开始，温度梯度发生了急剧变化，而这个位置是隔热陶瓷层与氧化层的界面位置，基体中的温度变化相对于隔热陶瓷层中的变化要平缓的多，这种现象正是热障涂层能对基体产生隔热效果的直观体现。

图2 模型径向温度分布

由于热障涂层中的初始裂纹一般首先发生在陶瓷层与氧化层的界面处，所以下面主要针对这个界面处的最大法向应力进行分析讨论，有限元计算结果表明：模型中陶瓷层在室温状态下界面最大法向应力为负值（如图3（a）），并且随着无应力状态温度的不断升高，应力的绝对值以二次曲线形式逐渐升高。相反，在高温状态下界面处的应力随无应力状态温度的不断升高以二次曲线形式逐渐降低。因为对于裂纹的萌生与扩展来说，负的法向应力不会起作用，所以要研究不同的无应力状态温度对陶瓷层内裂纹的萌生与扩展的影响，需要研究高温状态下的热障涂层，从图3（b）所示的角度出发，可以认为较高的无应力状态温度对于陶瓷层内裂纹的萌生与扩展是有限制作用的。

图3 陶瓷层法向应力随温度变化曲线

2.2 不同氧化层厚度对涂层内应力的影响

氧化层对热障涂层的失效有很重要的作用，一般情况氧化层的厚度不会超过10μm。本次研究中所选用的氧化层厚度范围基本涵盖了从热障涂层制备时氧化层的厚度到氧化层达到临界厚度的整个厚度范围，涂层在制备之初的氧化层厚度一般为1μm左右，所以选取1μm的氧化层厚度为研究的初始值。无应力状态温度选取400℃。

有限元计算所得的应力分布情况与所研究的无应力状态下的分布一致，陶瓷层与氧化层界面危险点处的最大法向应力随氧化层厚度的变化规律如图4所示。

图4 陶瓷层法向应力随氧化层厚度变化曲线

从图4可以看出，随着氧化层厚度的增加，室温状态下法向应力数值呈线性减小，应力为负值。在高温状态下应力为正值，并且随氧化层厚度的增加呈二次曲线形势逐渐减小，从曲线上看似乎是氧化层的厚度越厚陶瓷层中的应力会越小，但是由于氧化层的生长本身会引起体积上的变化，致使氧化层生长在涂层中会产生附加的应力，这个应力一般小于1 GPa，但是对材料性能的影响却非常的明显，本次研究中没有考虑氧化层增厚过程中体积变化引起的应力，所以不能说为了使涂层的抗疲劳性能更佳而采用较厚的氧化层涂层，如果从氧化层厚度方面考虑提高涂层的工作性能而要在涂层的制备工艺过程中获得适宜的氧化层厚度，则需要综合考虑上述氧化层两种因素对涂层内应力的影响。

3 结论

文中利用非线性有限元分析软件MSC.Marc对涡轮叶片等离子热障涂层进行了较全面的分析，得到以下结论：

1）陶瓷层中危险部位的法向应力在室温状态下处于压应力状态，在高温状态处于拉应力状态，而对于裂纹的萌生与扩展压缩应力不起作用。

2）无应力状态温度对涂层在整个工作过程中的应力分布有较大影响，温度的增加会使陶瓷层危险部位的法向应力呈二次曲线形式逐渐的减小，也就是说在涂层的制备过程中适当的提高制备温度，从而使涂层的寿命可以相应的得到提高。

3）热障涂层内危险部位的法向应力在高温状态时，应力随氧化层的厚度逐渐增加呈二次曲线的形式逐渐的降低，因此适当增加氧化层的厚度对提高涂层的寿命是有利的。

［1］ 魏洪亮.涡轮叶片／热障涂层结构分析方法及界面破坏研究［D］.北京：北京航空航天大学，2007.

［2］ Sheffler K D.Current stat us and f uture trends in tur bine application of ther mal barrier［J］.Jour nal of Engine for Gas Turbine and Power，1988，110（4）：605－609.

［3］ 姚国凤，马红梅，王晓英，等.热障涂层界面形貌尺寸与残余应力的关系［J］.金属热处理，2005，30（10）：43－46.

［4］ 李志永，鲍蕊，张建宇，等.换热系数对热机耦合作用下热障涂层性能的影响［J］.航空动力学报，2008，23（5）：946－951.