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第卷第期河北理工大学学报自然科学版..
年月.
文章编号:——一
基体曲率对热障涂层残余应力的影响
李志华,刘云川,李焕喜
.河北理工大学理学院,河北唐山;.北京航空航天大学,北京
关键词:热障涂层;残余应力;曲率
摘要:导出了轴对称温度应力状态下的位移公式。采用空心和实心四相同心圆模型分析了
基体曲率对热障涂层残余应力的影响。结果表明:热障涂层结构中各层内既有环向应力,又
有径向应力,应力大小与温降成线性关系;当陶瓷层在外层时,在氧化层/陶瓷层和粘结层/
氧化层界面上产生垂直界面的拉应力,且实心模型的拉应力远大于空心模型的拉应力;当陶
瓷层在里层时,空心模型中相应界面上的应力为压应力。
中图分类号:. 文献标志码:
用热障涂层为先进涡轮发动机的热端部件如燃烧室、导向叶片、转子叶片提供高温防护,有利于提高
发动机的工作温度或使用效率。典型的热障涂层结构由陶瓷层、粘结层和金属基体组成。热障涂层在
制备和使用过程中,陶瓷层和粘结层之间通常还会生成一层很薄的热增长氧化物,即氧化层。陶瓷层成分
大多为—%:,,厚度一般为.,是热障涂层隔热的主体;氧化层的成分主要为
,,厚度一般只有几个微米;粘结层的成分为为或,厚度通常为.,除
了确保基体和陶瓷层能够较好地粘结到一起,粘结层还有抗高温氧化和抗热腐蚀作用;基体一般为基
高温合金。
热障涂层结构从其制备温度或从其工作热循环的高端温度冷却到室温时,由于不同材料的热膨胀系数
和弹性性能各异,内部会产生较大的残余应力。热障涂层广泛应用的航空发动机的热端部件,通常都
具有一定的曲率,为认识热障涂层结构的失效机制进而预测热障涂层结构的使用寿命,需要研究基体曲率
对残余应力的影响。
力学模型与方程
. 力学模型
有实验研究表明,由于在高温~保持过程
中基体和粘接层金属甚至陶瓷会发生蠕变,使得陶瓷层接近
零应力状态。据此,本文在进行残余应力分析时,假设
热障涂层结构在降温之前已经处于零应力状态。为简化分
析,认为降温过程中各层材料的收缩均为线弹性变形且各点
处的温降相同,并认为材料的弹性性能和热膨胀系数均为与
温度无关的常数且各向同性。图四相同心圆模型示意图
为此,采用四相同心圆模型来分析基体曲率对残余应力的影响。对于空心同心圆模型适用于空心
部件,图中半径,陶瓷层在空心同心圆的外层时,①、②、③、④层为金属基体、粘结层、氧化
层和陶瓷层;陶瓷层在空心同心圆的里层时,①、②、③、④层为陶瓷层、氧化层粘结层和金属基体。对
收稿日期:
基金项目:河北省教育厅自然科学项目
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河北理工大学学报自然科学版第卷
于实心同心圆模型适用于实心部件,图中半径口,①、②、③、④层为金属基体、粘结层、氧化
层和陶瓷层。
. 轴对称温度应力状态下的位移分量
由于采用同心圆模型,且设热障涂层结构中各点温降相同,故属于轴对称变温。根据参考文献
,
平面应变状态下的基本方程:
每一层的应力分量
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几何方程

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为径向应力和环向应力, 为径向和环向位移,,,,。
物理方程
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