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关于特氟龙喷涂组织性能的变化的研究

浏览: 发表时间:2019-12-18 16:42:35

        由于特氟龙喷涂微观结构的复杂性,给实际涂层模型的建立带来了很大的困难。涂层几何模型的准确构建对涂层性能的研究至关重要,一些学者通过建立简化的解析几何模型(如同心圆模型),利用解析法求得涂层性能的解析解。由于涂层结构多样,且在服役过程中涉及的物理、化学和力学现象十分复杂,场方程相互耦合,因此很难根据简化的解析几何模型求得准确的解析解。而在对问题进行过多的简化后,得到的近似解可能误差很大,甚至是错误的。随着计算机硬件、软件技术的飞速发展和对材料物理规律研究的深入,有限元技术取得了很大的进展。可以通过有限元计算来描述涂层服役过程中温度场、应变场、应力场等,据此研究涂层组织性能的变化,并通过虚拟的涂层服役过程模拟来预测涂层的最终性能。而利用有限元方法研究涂层性能的重要基础是涂层有限元模型的准确建立。较早期的一些学者在建立涂层有限元模型时,忽略涂层中各种缺陷,建立了均质的、各向同性的理想模型。该模型不包含陶瓷层的孔洞、裂纹等缺陷,且基本未考虑界面处的形貌。考虑到特氟龙喷涂中各种缺陷对涂层的性能研究有着极为重要的作用,所以建立带缺陷的有限元模型显得尤为重要。Nakamura等人12利用随机模型生成了带缺陷的涂层有限元模型。该模型简化了缺陷在陶瓷层中的分布,不能真实反映实际涂层显微组织特征,具有一定的局限性。

        涂层结合强度包括涂层与基体之间的结合强度和涂层自身的内聚强度,是反映涂层性能高低的一个重要指标。一般采用轴向拉伸法测试涂层的结合强度,在垂直于涂层表面方向上施加作用力进行拉伸,使涂层内部发生分离或者从基体上剥离,涂层失效时单位面积上所承受的***载荷即涂层结合强度。在等离子喷涂热障涂层中,一方面由于陶瓷层中存在着大量缺陷,陶瓷层的结合最为薄弱,涂层整体的结合强度往往由陶瓷层的结合强度决定;另一方面陶瓷层中孔洞、裂纹等缺陷分布的不均匀性增加了涂层结合强度值的离散性,使涂层结合强度的预测变得更为复杂。许多学者采用实验的方法来统计涂层的结合强度。Andritschky等人通过实验研究了涂层结合强度与孔隙率之间的关系zhou等人的实验结果表明,大气等离子喷涂(APS)热障涂层中,随着陶瓷层厚度的增加,涂层的结合强度迅速下降。

        随着计算机技术的发展,特氟龙喷涂模拟方法为涂层结合强度的计算提供了新的途径。Cao等人利用有限元方法研究了涂层在剪切作用下的受力情况,为涂层力学性能的研究提供了参考。发动机叶片等热端部件的表面热障涂层工作环境极为恶劣,不断经历加热冷却的热循环交替过程,承受着各种应力的反复冲击作用,随着服役时间的延长以及循环次数的增加,涂层中的应力和能量逐渐累积,当达到一定程度时,涂层发生失效。影响涂层失效的因素有很多,主要因素包括以下几个方面。等离子喷涂热障涂层的面层与黏结层间的界面较粗糙,粗糙的界面一方面增加了涂层与基体之间的啮合作用,使涂层与基体的结合更为紧密;但同时粗糙的界面又是应力最容易集中的地方,很容易引起涂层的开裂,直至失效。准确的界面形貌是建立涂层模型的关键。由于涂层中面层与黏结层界面基本呈现出近似正弦的关系,所以正弦或近似正弦分布的界面模型得到了广泛的应用。Busso等人L31的研究表明,随着界面形貌的几何形状因子b/a的增加,对应的涂层应力集中程度加大。陶瓷层内含有大量的孔洞、裂纹等缺陷,在高温作用下陶瓷层发生烧结而变致密,体积收缩,弹性模量增大。陶瓷层弹性模量增大导致涂层中应力增加。随着高温保温时间的延长,等离子喷涂热障涂层中陶瓷层的弹性模量逐渐增大,增大的速率逐渐减小,保温一定时间以后,弹性模量基本不再发生变化。有限元计算结果表明,随着保温时间的延长,TGO不断变厚,陶瓷层内法向应力也逐渐增大,考虑烧结作用的陶瓷层内法向应力要远大于不考虑烧结作用的陶瓷层内的法向应力。


关于特氟龙喷涂组织性能的变化的研究
由于特氟龙喷涂微观结构的复杂性,给实际涂层模型的建立带来了很大的困难。涂层几何模型的准确构建对涂层性能的研究至关重要,一些学者通过建立简化的解析几何模型(如同心圆模型),利用解析法求得涂层性能的解析解。
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