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喷涂机涂层热循环寿命预测

  喷涂机涂层寿命是航空发动机热端部件强度和寿命设计及评价的重要指标和参数,在很大程度上决定了航空发动机的寿命。同时,燃气涡轮发动机加工成本高,热循环性能测试周期长,用实验的方法去测试其热循环寿命往往费工费钱。于是,人们把对航空发动机热循环性能硏究的焦点集中到了对涂层寿命的理论预测上。美国NASA从20世纪80年代就已经开始了对涂层热循环寿命预测的硏究,之后GE、P&W、GARRET等单位也发展出各自的模型,既有从常规寿命模型出发经过修正的模型,也有特别考虑涂层中一些寿命影响因素(如边缘效应和热腐蚀)的模型。喷涂机发展至今,已发展出了多种关于涂层的寿命预测模型,这些模型大致可以归为解析模型和数值模拟模型两大类。

  1.解析模型

  Miller是最早提出了涂层寿命预测解析模型,包括黏结层的氧化效应和以载荷循环为基础的累积损伤效应。该模型假设涂层在热循环条件下有效应变不断增大,建立循环次数N与应变范围之间的关系式。

  式中,△ε表示热障涂层应变范围;5与6分别表示TGO的生长厚度与临界厚度;表示临界应变范围,是关于δ与δ的函数。大多数设计者都是基于Mier提出的方法,经过考虑各自的使用经验,不断发展提出了各自不同的寿命预测模型。一致的是,这些模型中都假设了一个普遍的幂律寿命模式。

  式中,N为循环次数;A为经验常数;a为经验系数;△e为涂层的非弹性应变范围。常数A考虑了黏结层与陶瓷层之间形成TG○的影晌,普遍认为TGO的形成是一个可以增加裂纹扩展和导致涂层系统失效的重要因素。除此之外,其他因素如陶瓷层烧结作用、界面形貌等也在些模型中被引入涂层寿命预测解析模型中的参量较多,且许多参量不易获得。另外,涂层内部的组织变化、应力应变变化等过程非常复杂,而简单的参量无法准确地描述涂层内部的各种变化与寿命之间的关联,因而限制了其进一步的工程应用。

  2.数值模拟模型

  Buss等人建立损伤变量D(0D≤1)与温度、循环次数等实验条件之间的关系。式中,m为环境温度;θma为高温保温温度;tho为一次循环的保温时间;N为循环次数。同时,通过统计分析涂层界面形貌特征,建立了损伤变量与涂层界面形貌特征值b/a(图1-7)之间的统计分布规律;进一步提取出能代表整个涂层界面形貌的临界特征值,建立与之对应的有限元模型通过计算涂层中危险区域的各应力分量的峰值来预测涂层的实际热循环寿命。

  基于数值模拟方法的寿命预测模型,可以将涂层损伤变量与界面形貌、服役环境、材料特性等多个参量相关联,使模型与实际情况更为接近。数值模拟方法能够较准确地预测涂层服役过程中的应力变化过程,从而建立应力与寿命之间的关系,为涂层寿命预测的实际工程应用提供了重要的参考。