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热循环条件下涡轮叶片热障涂层系统的有限元模拟

刘奇星;毛卫国;周益春

  热障涂层(thermal barrier coatings,TBCs)材料是现代高性能航空发动机内高温金属部件的关键热防护材料,是现代航空发动机的关键技术之一。热障涂层系统是一个典型的多层结构系统,主要由陶瓷层、过渡层、氧化层和基底四层材料构成。其中氧化层的厚度一般不超过20μm,与其它各层的尺度相差约3~4个数量级。对于结构极为复杂的航空发动机涡轮叶片热障涂层系统,跨尺度的有限元模拟变得非常困难。本文针对某型号的涡轮叶片热障涂层系统,建立了三维有限元分析模型,模拟了涡轮叶片热障涂层系统在制备完成后冷却过程中的初始残余应力场以及在热循环作用下的温度场、位移场及应力场,分析了热障涂层系统的隔热效果和各层材料在热循环作用下的应力场演化规律。分别应用第一强度理论与第三强度理论,分析了涡轮叶片热障涂层系统中陶瓷层与其它各层的危险点和危险区域的分布。发现在在陶瓷层中,危险区域主在分布在叶身与榫头的倒角区域,其它各层的危险区域主要分布在后缘部位。模拟的结果与实验的结果基本吻合。本文的结果能为涡轮叶片热障涂层系统材料优化设计和寿命预测提供指导作用。……