等离子喷涂热障陶瓷涂层冷却累计残余应力的有限元模拟与验证

摘要：

目的 为有效预测等离子喷涂热障涂层冷却过程中累积的残余应力,降低残余应力对涂层稳定性的影响,需寻求可靠的热障涂层应力检测方法.方法 利用有限元分析软件,采用生死单元法建立了等离子喷涂ZrO2涂层的有限元模型,高斯热源模拟等离子喷涂热源工况,研究涂层冷却至室温的残余应力及其分布.使用X射线衍射法、拉曼光谱法对等离子喷涂制备的ZrO2涂层进行残余应力检测.结果 通过有限元模拟结果可以看出,喷涂涂层冷却到室温后其中心区域的残余应力与边缘位置相比较大,主要集中在热流中心区域;每层涂层结合界面处会产生较大应力,致使应力沿涂层厚度方向变化明显.涂层的等效应力为160～220 MPa.采用X射线衍射法检测涂层存在180～185 MPa残余应力.标定ZrO2涂层的拉曼-应力因子为8.33(cm·GPa)–1,计算得到涂层存在残余应力为174～180 MPa.对喷涂试样进行拉伸试验后,其残余应力有一定程度的释放.结论 使用有限元能有效模拟等离子喷涂至室温时涂层内部残余应力,与XRD、拉曼光谱检测结果具有良好的匹配性,涂层冷却至室温存在180 MPa左右的残余应力,严重影响涂层的稳定性.

关键词：残余应力、有限元模拟、热障涂层、生死单元法、高斯热源、X射线衍射、拉曼光谱

所属期刊栏目：52

分类号：TG174.442(金属学与热处理)

资助基金：国家自然科学基金52104361

在线出版日期：2023-03-07（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共10页

页码：385-394