某型壓氣機內機匣基體—涂層結合強度分析

陳振中 張帥 趙浩宇 王璐璐 賴澤平

摘要：利用SolidWorks對某型APU壓氣機內機匣進行等比例簡化，建立數學模型。首先利用ANSYS軟件對內機匣與涂層進行靜力學分析，得到靜態下的溫度場及位移場。其次，將輸出結果導入穩態熱模塊（SteadyState Thermal）中進行熱分析，得到工作溫度為600℃時的各部分應力應變云圖。最后，通過對基體-涂層進行有預應力的模態分析，計算出基體-涂層的前10階固有頻率和振型，通過最大應力和位移點以及模態變形情況表征熱振性對內機匣與涂層的界面結合強度的影響。

關鍵詞：SolidWorks;ANSYS;封嚴涂層;界面結合強度

Keywords：SolidWorks;ANSYS;sealing coating;interfacial bonding strength

0 引言

現代大型客機追求經濟性和環保性，節能減排是飛機設計的重要要求之一[1]。利用可磨耗封嚴涂層減少發動機機葉徑向間隙是降低發動機油耗、提高工作效率、提高飛機整體性能的重要途徑[2]。

典型的封嚴涂層有Metco307NS鎳包石墨涂層、Metco601NS鋁硅聚苯酯涂層、Metco203NS氧化釔-氧化鋯涂層等[3]。航空發動機可磨耗封嚴涂層的關鍵性能如下[4]。

1）可磨耗性：在葉片與壓氣機內機匣發生刮磨時，封嚴涂層平衡自身強度與可刮削程度，保護葉尖和機匣內壁。

2）界面結合性能：指涂層和基體之間的結合強度。在相同的外界載荷下，界面結合的強度越高、界面的韌性越好，抵抗界面裂紋的能力也越強，界面結合的良好與否很大程度上決定涂層的服役壽命[5]。

3）抗熱振性：指高溫下抗振動沖擊能力。飛機運行工況復雜，良好的抗熱振性使涂層在發動機內部溫度發生變化時不會輕易損耗、失效。

4）抗沖蝕性：發動機運行時會受到氣流及氣流中攜帶的粒子的高速沖刷，抗沖蝕性指抵抗高速氣流沖蝕的能力。

涂層的典型失效形式是從基體上剝離，因而表征涂層與基體的界面結合強度對工程應用有著重要意義[6]。目前為止，表征涂層與基體的界面結合強度的方法眾多，但沒有一種標準統一的測試方法能應對種類繁多、樣式復雜的涂層—基體系統[7][8]。定量測量涂層與基體的界面結合強度需要準確、合理地建立涂層從基體上剝落時的數學模型，并且需要有效表征與界面結合強度綜合性能有關的各種參量。國內外的學者越來越多地采用有限元技術研究基體—涂層的性能，取得了較好的研究成果[9]。

1 基于SolidWorks的基體—涂層三維建模

使用Solidwork對壓氣機內機匣基體—涂層建立模型，如圖1所示。為了便于計算，對基體—涂層做如下假設：面層、粘結層、基體各個部分的材料性能參數為常數，不隨應力和時間改變;基體—涂層一直處于彈性形變，不發生塑性變形;忽略面層、粘結層的化學腐蝕現象。表1為涂層材料性能參數[10]。

2 數值模擬

2.1 封嚴涂層的靜力學分析

模型分為3個部分，依次為面層、粘結層與基體。面層材料為鋁硅聚苯脂，厚度為0.5mm;粘結層為鎳鋁合金，厚度為0.2mm;基體材料為結構鋼，厚度為2.21mm。結構網格為自適應網格劃分，對粘結層網格進行加密，施加邊界條件，應力場和位移場如圖2、圖3所示。

由靜力學分析可知，應力場和位移場最大應力值為0.001MPa，最大位移值為0.001mm。由云圖可知，最大的應力值處與最大的位移處均在機匣罩中間位置，推斷在該處涂層容易發生脫落，即界面結合強度較低。與圖4、圖5的實際工況進行比較，較為符合實際工況情況。

2.2 封嚴涂層的力—熱耦合分析

根據相關研究[4]，涂層的脫落和失效與溫度的影響密不可分。為了充分模擬壓氣機內機匣的實際工作狀態，本研究側重涂層各部分在真實的工作狀態下（600℃）的應力、位移變化情況，對機匣罩罩沿施加固定約束，在面層施加載荷氣動力進行求解。

圖6、圖7為熱—力耦合分析的應力場、位移場。由云圖可知，最大應力值為0.0011MPa，最大的位移值為0.00113mm，最大的應力值處與最大的位移處均在機匣罩中間位置。與靜力學分析對比，仿真結果的數量級基本一致，因此溫度與基體—涂層的結合強度有關。

2.3 封嚴涂層的抗熱振性分析

壓氣機內機匣在工作中可能因轉子不平衡、尾流激振等問題引起振動，影響基體—涂層的界面結合強度，影響涂層的服役性能及使用壽命。模態求解完畢后，應用ANSYS中Custom Systems的Random Vibration對基體—涂層進行隨機振動的熱分析，添加PSDG Acceleration，邊界條件選擇固定約束，方向定位z方向，加速度譜設為10范圍值的最大值，需要小于最大模態的2/3，這里定為500Hz。在工作溫度600℃下進行10次具有預應力的模態分析，模態頻率如表2所示，一階振型的壓力場和位移場分別如圖8、圖9所示。

通過對封嚴涂層的抗熱振性進行分析，觀察一階振型的應力應變云圖，最大的位移值為4.57×10-7mm，最大應力值為1.6×10-5MPa，與上文中的仿真結果比較，考慮到網格精度、小數精度、計算精度，認為仿真結果較為可信。

3 結論

通過對某型壓氣機內機匣的基體—涂層結構進行參數化簡化、建立模型。首先進行靜力學分析，得到瞬態基體—涂層結構的壓力場以及位移場，得到涂層損耗的模擬數值和易損位置，與實際工況的損傷較為一致。其次探究溫度與振動兩個影響因素，進行了熱—力耦合分析及隨機振動分析，得出應力、位移云圖，并與實際工況的損傷報告進行對比分析，結果與實際工況基本一致，表明溫度與振動對基體—涂層的結合強度具有一定的影響。

參考文獻

[1]李麗雅，田云.中國大飛機研發歷程與技術突破[J].中國工業評論，2015（Z1）：36-43.

[2]劉夙偉，李曙，劉陽.封嚴涂層材料及其可刮削性的評價[J].中國表面工程，2009，22（01）：12-18+24.

[3]張俊紅，魯鑫，何振鵬，王志平.航空發動機可磨耗封嚴涂層技術研究及性能評價[J]. 材料工程，2016，44（04）：94-109.

[4]毛國偉. 面向封嚴涂層可磨耗性評價的超高速磨耗機理及動力學研究[D].石家莊：河北工業大學，2014.

[5]楊班權，陳光南，張坤，羅耕星，肖京華.涂層/基體材料界面結合強度測量方法的現狀與展望[J].力學進展，2007（01）：67-79.

[6]薛雷.基于劃痕法TiN涂層摩擦接觸失效機理研究[D]. 湘潭：湘潭大學，2015.

[7] A.A Volinsky，N.RMoody，W.WGerberich. Interfacial toughness measurements for thin films on substrates [J]. Acta Materialia，2002，50（3）.

[8] Giles Aldrich-Smith，NigelJennett，JonathanHousden. Adhesion of thin coatings-the VAMAS（TWA 22-2）interlaboratory exercise[J]. Surface&;Coatings Technology，2004，197（2）.

[9] 趙丹，趙忠興，楊景偉，孫杰.封嚴涂層的性能評價及研究進展[J].航空科學技術，2011（04）：17-20.

[10]張俊紅，魯鑫，何振鵬，王志平.鋁硅聚苯酯封嚴涂層抗熱沖擊性能的數值模擬研究[J].機械科學與技術，2016，35（08）：1273-1279.

作者簡介

陳振中，教授，主要從事結構疲勞斷裂及可靠性分析。

張帥，在讀研究生。

趙浩宇，工程師，主要從事輔助動力裝置維修及測試方案研究。

王璐璐，高級工程師，主要從事輔助動力裝置維修技術與可靠性管理研究工作。

賴澤平，在讀研究生。