NiCoCrAlY/YSZ梯度涂層熱力學性能的有限元模擬

王士峰, 夏明崗, 劉 明, 王 玉, 王 斌, 白 宇*, 王海斗

（1.西安交通大學 金屬材料強度國家重點實驗室, 西安 710049；2.西安交通大學 物理學院 物質非平衡合成與調控教育部重點實驗室, 西安 710049；3.陸軍裝甲兵學院 裝備再制造技術國防科技重點實驗室, 北京 100072）

熱障涂層是航空發動機與燃氣輪機等國家重大裝備的有效熱防護手段[1-2]。目前廣泛使用的熱障涂層一般采用雙層結構，該結構由合金底層（bond coat，BC）與陶瓷面層（top coat，TC）組成，其目的是利用陶瓷面層優異的阻熱性能來降低金屬基體（substrate，SUB）服役時的表面溫度，從而實現其在高溫環境下的可靠應用。但在雙層結構熱障涂層中，陶瓷面層與合金底層之間的熱失配應力始終是影響其可靠服役的不利因素[3]。

為緩解熱失配應力，許多研究者對熱障涂層進行了結構方面的梯度化設計[4-5]，在陶瓷面層與合金底層之間制備梯度層（gradient coat，GC），使得涂層在化學成分與力學性能上沿涂層厚度方向呈現梯度分布[6-7]。程西云等[8]分析了梯度層的結構形式、厚度及中間層數等參數對涂層熱應力分布的影響，發現合理的梯度結構能改善涂層內部軸向熱應力及剪應力分布，改變熱應力分布特征。龐銘等[9]建立數值仿真模型，研究基體、黏結層及陶瓷層的厚度參數對涂層殘余應力的影響，發現基體厚度對噴涂涂層的殘余應力的大小和方向有顯著影響。Baig等[10]制備了雙層涂層和梯度涂層并進行了有限元分析，發現梯度涂層的顯微組織、顯微硬度和熱膨脹系數均發生變化，五層梯度涂層產生的徑向、軸向和剪切應力最小。……