界面尺寸對熱障涂層殘余應力的影響

白玉梅

（山西大學工程學院，太原030013）

界面尺寸對熱障涂層殘余應力的影響

白玉梅

（山西大學工程學院，太原030013）

廣泛應用于高溫部件的熱障涂層，其凹凸不平的界面形貌不僅影響界面的結合強度、應力分布，嚴重時甚至會導致涂層剝離、層裂和失效。文中針對正弦波形界面形貌的熱障涂層，研究了界面尺寸（微坑深度、寬度和間距）對界面殘余應力的影響。結果表明，界面幾何形貌突變越嚴重，應力突變也隨之加劇；不同的微結構尺寸影響因素對殘余應力影響各不相同，其中微坑深度對殘余應力的影響最為顯著。

熱障涂層；界面尺寸；殘余應力

0 引言

目前，熱障涂層材料的使用已大大提高了零件在苛刻環境下的服役壽命，但由于自身復雜的結構體系，在多次熱循環作用下會導致界面處涂層剝落、層裂和失效。熱障涂層材料的失效不僅與材料界面狀態有關，也與殘余應力密切相關［1］。因此研究界面特性與殘余應力的關系具有非常重要的意義。本文針對陶瓷層/熱生長氧化層/粘結層/基體的平面應變模型，就不同界面尺寸對應力的影響做了分析研究。

1 模型的建立

圖1 熱障涂層模型截面示意圖

如圖1所示，建立了基體/粘結層（BC）/熱生長氧化層（TGO）/陶 瓷 層（TBC）的熱障涂層模型，對應材料依次選 用 1Cr18Ni9Ti/ NiCoCrAlY（Y為微量元素）/Al2O3/ZrO2～8%Y2O3，各層的厚度分別為ts＝1mm，t1＝0.09mm，t2＝0.01mm和t3＝0.1mm。

取正弦波形界面形貌來研究界面尺寸對殘余應力的影響，微結構尺寸包括：微坑深度h，寬度λ和間距d，如圖2。各層材料參數見表1［2-3］。

結構兩端為自由邊界。假設基底及各層的界面為理想熱接觸，即溫度和熱流連續。陶瓷層表面給以穩定的溫度載荷T，保溫40 min后，撤掉熱源降至室溫25℃。基底表面為對流邊界條件，換熱系數h＝30 W/（m2·℃）。研究熱障涂層受熱冷卻后，界面尺寸對層內和界面上的殘余應力的影響。

圖2 正弦波形界面形貌微結構示意圖

表1 涂層體各層材料參數

2 分析討論

2.1 微坑深度對殘余應力的影響

保持微坑間距d和微坑寬度λ不變，選擇不同的微坑深度h，研究沿涂層側的應力分布情況。圖3～圖5表示不同波高h＝25 μm，50 μm和75 μm時，陶瓷層一側界面應力σxx沿界面的分布情況。由圖可見，隨著h值的增大，界面應力σxx，σyy和σxy的值都有所增加，尤其是對拉應力的影響要遠大于對壓應力的影響；且微坑深度h對x方向應力的影響明顯大于沿y方向應力的分布。這是由于h增大，會使界面形貌的曲率增加，而界面應力會隨界面形貌曲率的增加而增大。

圖3 不同微坑深度下應力σxx沿x軸的分布

圖4 不同微坑深度下應力σyy沿x軸的分布

圖5 不同微坑深度下應力σxy沿x軸的分布

2.2 微坑間距對殘余應力的影響

保持微坑深度h和寬度λ不變，考察微坑間距d對應力的影響。圖6～圖8為不同間距d時，沿微坑處點A至點E的真實路徑下界面應力σxx，σyy和σxy的分布圖。從圖中我們可以看出，間距d越小，對界面應力的影響越大，尤其是對σxx的影響尤為明顯，見圖8。3種應力中，拉應力σxx起主導作用，說明沿涂層界面方向（即x方向）拉應力是影響界面應力的主要因素，這與文獻［5］結論一致。

圖6 不同間距時應力σxx沿x軸分布

圖7 不同間距下應力σyy沿x軸的分布

圖8 不同間距下應力σxy沿x軸的分布

2.3 微坑寬度對殘余應力的影響

保持微坑間距d和微坑高度h不變時，研究不同的微坑寬度（λ＝0.1 mm，0.2 mm，0.4 mm）對應力的影響。圖9表示不同微坑寬度λ作用下，界面應力沿涂層側的分布，從分析結果可以看出，微坑寬度越窄，平行于界面的壓應力σxx越大，而微坑寬度越窄，界面形貌的曲率越大，由此可見，平行于界面的壓應力σxx隨界面曲率的增加而增大。因此，在設計熱障涂層界面形貌時要應盡量避免較大曲率的界面形貌出現。圖中還可以看出，微坑寬度λ值越小，在拐點處應力集中更為明顯，波長λ越大，界面形貌越為平緩，不易出現應力集中。

圖9 不同微坑寬度時涂層內應力σxx的分布

3 結論

界面微尺寸的結構影響熱障涂層材料中殘余應力的大小、分布及性質。涂層中垂直于界面方向的應力σxx隨著微坑高度h的增大而增大；微坑寬度λ越大界面越平緩，對應力的影響越小；不同間距d對應力也有一定的影響，間距越大應力值越小。但這三者中，微坑高度h對殘余應力的影響最為顯著。

界面幾何突變愈劇烈，便會加劇界面形貌的曲率變化，曲率的增加會使界面的應力σxx增加，此應力會導致界面方向裂紋的產生和擴展，所以在涂層界面設計時，應盡量避免較大曲率的界面形貌出現。

［1］ 馬維，潘文霞，張文宏，等.熱噴涂涂層中殘余應力分析和檢測研究進展［J］.力學進展，2002，32（1）：41-56.

［2］ 席軍，段祝平.激光輻照熱障涂層中平面應變問題的熱彈性變化分析［J］.強激光與粒子束，2004，16（11）：1397-1402.

［3］ Teixeira V,Andritschky M,Fischer W,et al.Analysis of residual stress in thermal barrier coatings［J］.Journal of Materials Processing Technology,1999，92（93）：209-216.

［4］ 白玉梅，徐穎強，賴明榮，等.熱障涂層熱不匹配殘余應力的分析研究［J］.科學技術與工程，2011，11（14）：3126-3129.

（編輯昊 天）

Effect of Interface Dimensions on Residual Stresses in Thermal Barrier Coating

BAI Yumei
（Engineering College of Shanxi University,Taiyuan 030013,China）

Thermal barrier coating(TBC)has been used widely in heat components,its rough interface can affect the bonding strength of interface,the stress distribution in TBC,even worse can cause spalling or failure for the entire coating system.For sinusoidal topography,the influence of interface topography dimension on residual stress in thermal barrier coatings is concerned.The three parameters of interface topography dimension include:the distance between two pits,pit depth and pit width.The results show that the more serious the interface topography mutation are,the bigger the residual stress is.The residual stress is affected by interface topography dimension:the distance between two pits,pit depth and pit width,but the most obvious effects is pit depth.

thermal barrier coating（TBC）;interface dimensions;residual stress

TP391.7

A

1002－2333（2014）05－0006－03

白玉梅（1986—），女，助教，研究方向為機械設計理論。

2014-03-04