热老化对热障涂层界面力学性能影响及数值计算

doi:10.7527/S1000-6893.2023.28507

材料工程与机械制造

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热老化对热障涂层界面力学性能影响及数值计算

刘延宽¹^,², 袁航¹^,², 李顶河³(), 费宇杰¹^,²

^1.中国民航大学天津市民用航空器适航与维修重点实验室，天津　300300
^2.中国民航大学航空工程学院，天津　300300
^3.中国民航大学中欧航空工程师学院，天津　300300

收稿日期:2023-02-01 修回日期:2023-02-06 接受日期:2023-05-12 出版日期:2023-10-25 发布日期:2023-05-26
通讯作者: 李顶河 E-mail:dh-li@cauc.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(U1933102);天津市教委科研计划(2020KJ016)

Effect of thermal aging on mechanical properties of thermal barrier coatings interface and numerical calculation

Yankuan LIU¹^,², Hang YUAN¹^,², Dinghe LI³(), Yujie FEI¹^,²

^1.Tianjin Key Laboratory of Civil Aircraft Airworthiness and Maintenance，Civil Aviation University of China，Tianjin 　300300，China
^2.College of Aeronautical Engineering，Civil Aviation University of China，Tianjin 　300300，China
^3.Sino-European Institute of Aviation Engineering，Civil Aviation University of China，Tianjin 　300300，China

Received:2023-02-01 Revised:2023-02-06 Accepted:2023-05-12 Online:2023-10-25 Published:2023-05-26
Contact: Dinghe LI E-mail:dh-li@cauc.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(U1933102);Scientific Research Project of Tianjin Education Commission(2020KJ016)

摘要/Abstract

摘要：

针对热生长氧化物（TGO）对热障涂层系统寿命的影响问题，利用大气等离子喷涂（APS）制备氧化钇稳定氧化锆（YSZ）热障涂层，在1 100 ℃条件下，对热障涂层进行不同时间的热老化试验。采用扫描电镜（SEM）观察并分析涂层的微观形貌，并利用界面压痕法及Almen基片弯曲法分别测量其界面断裂韧性及涂层内部应力，系统研究了TGO对涂层性能的影响规律。与此同时，利用动态热力耦合扩展逐层/实体元（TM-XLW/SE）方法对该问题进行了数值研究，采用扩展逐层方法模拟陶瓷层（TC）/TGO和粘结层（BC）/TGO之间的行为，采用八节点实体单元来构建合金基体，根据热障涂层和基体连接区域的位移、温度协调和内力平衡条件，将热障涂层和基体相互耦合，分析了在热老化作用下TGO厚度演变对热障涂层力学性能的影响规律，将数值结果与试验结论进行了对比分析，为热障涂层失效分析提供更进一步的支撑和佐证。

关键词: 热障涂层, 热生长氧化物, 界面断裂韧性, 动态热力耦合, 扩展逐层/实体元

Abstract:

To investigate the effect of Thermally Grown Oxide （TGO） on the life of thermal barrier coating system， Yttria Stabilized Zirconia （YSZ） was prepared by Atmospheric Plasma Spray （APS） method. Thermal barrier coating was subjected to thermal aging tests at 1 100 ℃ for different durations. Micro morphology of the coatings was observed and analyzed by Scanning Electron Microscopy （SEM）， then the interfacial fracture toughness and internal stress of the coating were measured by the interfacial indentation method and the Almen specimen bending method， respectively. The effects of TGO on the coating properties were systematically studied. Meanwhile， the dynamic Thermo-Mechanical Coupling Extended Layer-by-Layer/Solid Element （TM-XLW/SE） method was used to numerically study the problem. The extended layer-by-layer method was used to simulate the behavior between the Top Coat （TC）/TGO and the Bond Coat （BC）/TGO. The alloy matrix was constructed by eight-node solid element. According to the displacement， temperature coordination and internal force balance conditions of the connection area between the thermal barrier coating and the substrate， the thermal barrier coating and the substrate were coupled with each other. The influence of the evolution of TGO thickness on the mechanical properties of the thermal barrier coating under thermal aging was analyzed. The numerical results were compared with the experimental conclusions， which provides further support and evidence for the failure analysis of thermal barrier coatings.

Key words: thermal barrier coatings, thermally grown oxide, interfacial fracture toughness, dynamic thermal coupling, extended layer wise/solid element

中图分类号:

V257

刘延宽, 袁航, 李顶河, 费宇杰. 热老化对热障涂层界面力学性能影响及数值计算[J]. 航空学报, 2023, 44(20): 428507-428507.

Yankuan LIU, Hang YUAN, Dinghe LI, Yujie FEI. Effect of thermal aging on mechanical properties of thermal barrier coatings interface and numerical calculation[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(20): 428507-428507.

图/表 23

表 1

表 2

图 1

图2

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图 18

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参考文献 38

1	ZHANG D H， CHENG Y Y， JIANG R S， et al. Turbine blade investment casting die technology［M］. Heidelberg： Springer Berlin Heidelberg， 2018.
2	YU Z Q， LIU J J， LI C， et al. Experimental investigation of film cooling performance on blade endwall with diffusion slot holes and stator-rotor purge flow［C］∥ Proceedings of ASME Turbo Expo 2020： Turbomachinery Technical Conference and Exposition. Montreal： ASME， 2020： 1-28.
3	LI H W， ZHANG D W， HAN F， et al. Experimental investigation on the effect of hole diameter on the leading edge region film cooling of a twist turbine blade under rotation conditions［J］. Applied Thermal Engineering， 2021， 184： 116386.
4	WANG F Q， PU J， WANG J H， et al. Numerical investigation of effects of blockage， inclination angle， and hole-size on film cooling effectiveness at concave surface［J］. Journal of Turbomachinery， 2021， 143（2）： 021007.
5	ZHU R， ZHANG G H， LI S L， et al. Combined-hole film cooling designs based on the construction of antikidney vortex structure： A review［J］. Journal of Heat Transfer， 2021， 143（3）： 030801.
6	JIANG J S， JIANG L X， CAI Z W， et al. Numerical stress analysis of the TBC-film cooling system under operating conditions considering the effects of thermal gradient and TGO growth［J］. Surface and Coatings Technology， 2019， 357： 433-444.
7	YUGESWARAN S， AMARNATH P， ANANTHAPA DMANABHAN P V， et al. Thermal conductivity and oxidation behavior of porous Inconel 625 coating interface prepared by dual-injection plasma spraying［J］. Surface and Coatings Technology， 2021， 411： 126990.
8	CHEN W R， WU X， MARPLE B R， et al. The growth and influence of thermally grown oxide in a thermal barrier coating［J］. Surface and Coatings Technology， 2006， 201（3/4）： 1074-1079.
9	WANG L， LI Z D， DING K Y， et al. Effects of TGO growth on the stress distribution and evolution of three-dimensional cylindrical thermal barrier coatings based on finite element simulations［J］. Ceramics International， 2022， 48（6）： 7864-7875.
10	MARTENA M， BOTTO D， FINO P， et al. Modelling of TBC system failure： Stress distribution as a function of TGO thickness and thermal expansion mismatch［J］. Engineering Failure Analysis， 2006， 13（3）： 409-426.
11	刘亚男，张立同，梅辉，等. 等离子喷涂热障涂层高温风洞热震行为［J］. 稀有金属材料与工程， 2009， 38（1）：176-179.
	LIU Y N， ZHANG L T， MEI H， et al. Thermal shock behavior of air plasma sprayed thermal barrier coatings under high temperature wind tunnel［J］. Rare Metal Materials and Engineering， 2009， 38（1）： 176-179 （in Chinese）.
12	TORKASHVAND K， POURSAEIDI E， MOHAMMADI M. Effect of TGO thickness on the thermal barrier coatings life under thermal shock and thermal cycle loading［J］. Ceramics International， 2018， 44（8）： 9283-9293.
13	KARLSSON A M， EVANS A G. A numerical model for the cyclic instability of thermally grown oxides in thermal barrier systems［J］. Acta Materialia， 2001， 49（10）： 1793-1804.
14	CHICOT D， DÉMARÉCAUX P， LESAGE J. Apparent interface toughness of substrate and coating couples from indentation tests［J］. Thin Solid Films， 1996， 283（1/2）： 151-157.
15	BENJEDDOU A， ANDRIANARISON O. A heat mixed variational theorem for thermoelastic multilayered composites［J］. Computers and Structures， 2006， 84（19-20）： 1247-1255.
16	李顶河，麻硕. 含损伤热障涂层结构热力耦合问题的扩展逐层/实体元方法研究［J］. 航空科学技术， 2021， 32（9）： 12-24.
	LI D H， MA S. Study on thermomechanical extended-layewise/solid-elements method for thermomechanical problems of thermal barrier coatings structure with damage［J］. Aeronautical Science and Technology， 2021， 32（9）： 12-24 （in Chinese）.
17	LI D H， FISH J. Thermomechanical Extended Layerwise Method for laminated composite plates with multiple delaminations and transverse cracks［J］. Composite Structures， 2018， 185： 665-683.
18	LI D H， ZHANG F. Full extended layerwise method for the simulation of laminated composite plates and shells［J］. Computers and Structures， 2017， 187： 101-113.
19	LI D H， ZHANG X， SZE K Y， et al. Extended layerwise method for laminated composite plates with multiple delaminations and transverse cracks［J］.Computational Mechanics， 2016， 58（4）： 657-679.
20	LI D H， ZHANG F， XU J X. Incompatible extended layerwise method for laminated composite shells［J］. International Journal of Mechanical Sciences， 2016， 119： 243-252.
21	LI D H. Delamination and transverse crack growth prediction for laminated composite plates and shells［J］. Computers and Structures， 2016， 177： 39-55.
22	LI D H， LIU Y， ZHANG X. An extended Layerwise method for composite laminated beams with multiple delaminations and matrix cracks［J］. International Journal for Numerical Methods in Engineering， 2015， 101（6）： 407-434.
23	LEVIT M， GRIMBERG I， WEISS B Z. Residual stresses in ceramic plasma-sprayed thermal barrier coatings： Measurement and calculation［J］. Materials Science and Engineering： A， 1996， 206（1）： 30-38.
24	SCARDI P， LEONI M， BERTAMINI L. Residual stresses in plasma sprayed partially stabilised zirconia TBCs： Influence of the deposition temperature［J］. Thin Solid Films， 1996， 278（1-2）： 96-103.
25	CHEN W L， LIU M， ZHANG J F， et al. High-temperature oxidation behavior and analysis of impedance spectroscopy of 7YSZ thermal barrier coating prepared by plasma spray-physical vapor deposition［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2018， 31（8）： 1764-1773.
26	AHMADIAN S， JORDAN E H. Explanation of the effect of rapid cycling on oxidation， rumpling， microcracking and lifetime of air plasma sprayed thermal barrier coatings［J］. Surface and Coatings Technology， 2014， 244： 109-116.
27	李定骏，杨镠育，孙帆，等. 面向航空发动机与燃气轮机先进热障涂层制备：预热温度对热障涂层表面裂纹形成的影响［J］. 航空学报， 2022， 43（6）： 516184.
	LI D J， YANG L Y， SUN F， et al. Effect of preheating temperature on formation of surface cracks in thermal barrier coating system［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2022， 43（6）： 516184 （in Chinese）.
28	BÄKER M， RÖSLER J， HEINZE G. A parametric study of the stress state of thermal barrier coatings Part II： Cooling stresses［J］. Acta Materialia， 2005， 53（2）： 469-476.
29	LIU Y K， COPIN E， DULUARD S， et al. Apparent interfacial toughness of undoped and photoluminescent Eu³⁺-doped yttria-stabilized zirconia thermal barrier coatings［J］. Journal of Thermal Spray Technology， 2020， 29（3）： 433-443.
30	LIU Y Z， ZHENG S J， ZHU Y L， et al. Microstructural evolution at interfaces of thermal barrier coatings during isothermal oxidation［J］. Journal of the European Ceramic Society， 2016， 36（7）： 1765-1774.
31	LIU X J， WANG T， LI C C， et al. Microstructural evolution and growth kinetics of thermally grown oxides in plasma sprayed thermal barrier coatings［J］. Progress in Natural Science： Materials International， 2016， 26（1）： 103-111.
32	LI G R， YANG G J， LI C X， et al. Sintering characteristics of plasma-sprayed TBCs： Experimental analysis and an overall modelling［J］. Ceramics International， 2018， 44（3）： 2982-2990.
33	刘延宽，许婧，李尧，等. Eu³⁺掺杂对YSZ热障涂层隔热性能与涂层界面断裂韧性的影响研究［J］. 稀有金属材料与工程， 2021， 50（5）： 1699-1705.
	LIU Y K， XU J， LI Y. Effect of Eu³⁺ doping on thermal insulation property and interfacial fracture toughness of YSZ thermal barrier coatings［J］. Rare Metal Materials And Engineering， 2021， 50（5）： 1699-1705 （in Chinese）.
34	WANG K， PENG H， GUO H B， et al. Effect of sintering on thermal conductivity and thermal barrier effects of thermal barrier coatings［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2012， 25（5）： 811-816.
35	LIU Y K， LIU Y H， LOURS P， et al. Influence of isothermal aging conditions on APS TBC’s interfacial fracture toughness［J］. Surface and Coatings Technology， 2017， 313： 417-424.
36	SHEN W， WANG F C， FAN Q B， et al. Lifetime prediction of plasma-sprayed thermal barrier coating systems［J］. Surface and Coatings Technology， 2013， 217： 39-45.
37	郑允宅，朱建峰，曹萍丽，等. 等离子喷涂热障涂层中应力分布的有限元模拟［J］. 机械工程材料， 2015， 39（9）：84-88.
	ZHENG Y Z， ZHU J F， CAO P L， et al. Finite element simulation of stress distribution in plasma sprayed thermal barrier coating［J］. Materials for Mechanical Engineering， 2015， 39（9）：84-88 （in Chinese）.
38	YU Q M， CEN L. Residual stress distribution along interfaces in thermal barrier coating system under thermal cycles［J］. Ceramics International， 2017， 43（3）： 3089-3100.

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

工艺参数	BC层	TC层	气体
运载气体/PSI	40	40	Ar
主要气体/PSI	60	60	Ar
次要气体/PSI	100	100	He
喷涂电压/V	37	42
喷涂电流/A	750	850
喷涂距离/mm	85	85
送粉量/（r·min^-1）	2.5	4.0
喷涂速率/（mm·s^-1）	450	450

等温氧化时间/h	P_c/N	a_c/μm	K_ca/（MPa·m^1/2）
0	0.98	9.74	2.38±0.15
10	0.59	7.54	2.09±0.08
20	0.57	7.41	2.05±0.15
30	0.44	6.51	1.84±0.10
50	0.24	4.81	1.65±0.05

[1]	马玉娥, 杨萌, 孙文博. 基于近场动力学理论的热障涂层热冲击开裂行为[J]. 航空学报, 2022, 43(6): 526587-526587.
[2]	李定骏, 杨镠育, 孙帆, 江鹏, 陈艺文, 王铁军. 预热温度对热障涂层表面裂纹形成的影响[J]. 航空学报, 2022, 43(6): 526184-526184.
[3]	王斌, 王海涛, 王玉峰, 张文武. 热障涂层水助激光扫描加工试验[J]. 航空学报, 2022, 43(4): 525353-525353.
[4]	夏凯龙, 何箐, 张雨生. 基于红外热成像的涡轮叶片气膜孔孔径测量方法及缩孔规律[J]. 航空学报, 2022, 43(12): 426271-426271.
[5]	尚勇, 冯阳, 刘巧沐, 王君武, 杨惠君, 茹毅, 张恒, 赵文月, 裴延玲, 李树索, 宫声凯. 大型科学装置在航空发动机高温结构材料和涂层上的研究与应用[J]. 航空学报, 2022, 43(10): 527481-527481.
[6]	杨姗洁, 严旭东, 郭洪波. CMAS环境下热障涂层的损伤机理及防护策略[J]. 航空学报, 2022, 43(10): 527613-527613.
[7]	姚玉东, 艾延廷, 宋春, 关鹏, 田晶. 热障涂层二向应力状态分析与危险点预测[J]. 航空学报, 2022, 43(1): 424937-424937.
[8]	郭磊, 高远, 辛会. 热障涂层的激光表面改性参数优化和结构设计[J]. 航空学报, 2021, 42(7): 424114-424114.
[9]	董丽虹, 郭伟, 王海斗, 邢志国, 冯辅周, 王博正, 高治峰. 热障涂层界面脱粘缺陷的脉冲红外热成像检测[J]. 航空学报, 2019, 40(8): 422895-422895.
[10]	郭伟, 董丽虹, 王慧鹏, 徐滨士. 基于红外热像技术的涡轮叶片损伤评价研究进展[J]. 航空学报, 2016, 37(2): 429-436.
[11]	郭洪波, 宫声凯, 徐惠彬. 新型高温/超高温热障涂层及制备技术研究进展[J]. 航空学报, 2014, 35(10): 2722-2732.
[12]	郝维维, 郑蕾, 郭洪波, 宫声凯, 徐惠彬. 等离子喷涂LaTi₂Al₉O₁₉热障涂层的微观组织结构及热物理性能[J]. 航空学报, 2013, 34(6): 1485-1492.
[13]	赵乃义, 彭徽, 郭洪波, 宫声凯. 基体曲率对热障涂层结合强度影响的无损检测研究[J]. 航空学报, 2012, (6): 1125-1133.
[14]	韩志勇, 张华, 王志平. 热障涂层残余应力的拉曼光谱测量及数值分析[J]. 航空学报, 2012, 33(2): 369-374.
[15]	郭兴旺;丁蒙蒙. 热障涂层厚度及厚度不均热无损检测的数值模拟[J]. 航空学报, 2010, 31(1): 198-203.

热老化对热障涂层界面力学性能影响及数值计算

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