強流脈沖電子束改性粘結層溫度場研究

方 洋， 張志洋

(1.安徽民航機場集團， 安徽 合肥 231271； 2.孚能科技(贛州) 股份有限公司， 江西 贛州 341003)

0 前 言

熱障涂層(Thermal Barrier Coatings，TBC)技術被廣泛應用在航空發動機相關高溫部件材料上，即在現有耐熱超合金材料表面上噴涂陶瓷層[1]。 陶瓷涂層較低的熱導率、較高的熱膨脹系數能夠使基體金屬部件(燃燒室、涵道等) 維持在較低溫度卻有較高的實際工作溫度，從而在提高發動機性能的同時使基體金屬保持在低溫區域[2]。 為了緩解陶瓷層和基體的楊氏模量和膨脹系數差異過大，在表面陶瓷涂層和合金基體之間加了一層金屬粘結層，主要成分是MCrAlY 抗高溫氧化合金(M 為Ni 或Co)。 NiCoCrAlY 粘結層的抗氧化、抗高溫、抗腐蝕等綜合性能較好，因此許多航空發動機在生產時使用了NiCoCrAlY 作為熱障涂層的粘結層[3-6]。

熱障涂層產生裂紋失效的地方大多在陶瓷層與粘結層的結合處[7，8]。 這是由于除Al 之外，Ni、Cr 等原子容易被氧化，它們產生的氧化物結構松散并且脆性很大，容易導致氧化層處產生裂紋乃至斷裂。 所以，應對熱障涂層失效的關鍵就在于阻止氧氣的擴散[9]。 因此提出在粘結層表面利用強流脈沖電子束對其進行輻照，使粘結層淺表層發生熔化，使粘結層中Al 元素析出與氧氣反應，以此來增加粘結層表面的氧化膜從而阻止氧氣的擴散，提升粘結層耐氧化性能[10-12]。

改良電子束表面改性工藝以及研究材料性能的重要方法是研究強流脈沖電子束表面改性時材料表面的溫度分布情況[13-16]。 使用強流脈沖電子束對材料轟擊時，材料表層會產生瞬態的溫度分布[17]，生產實踐與試驗中粘結層溫度變化過快，現有測試條件難以實現試驗研究溫度場測量，因此本工作采用有限元分析軟件模擬強流脈沖電子束轟擊粘結層的計算，對強流脈沖電子束轟擊粘結層溫度場進行初步分析[18，19]。

1 有限元模型溫度場建立

1.1 ABAQUS 簡介

ABAQUS 是以CAE 理論為基礎研發的一款大型通用有限元計算分析軟件，ABAQUS 軟件中有一個內容涵蓋十分廣的單元庫，這使得使用者在求解復雜問題上存在很大優勢。 由于ABAQUS 軟件可模擬熱傳導分析，并且無論是在隱式求解上，還是在顯示求解上，都能給出令人滿意的結果[20]，本工作采用ABAQUS 進行溫度場的相關模擬分析。

1.2 有限元物理模型建立

在建立模型前，做出如下的假設:

(1)電子束轟擊時能量集中在表面，忽略樣品表層的能量沉積，并且能量均勻分布在表面；

(2)粘結層屬性各向同性；

(3)電子束改性假定在真空下進行，忽略樣品表面的對流換熱；(4)模型表面假設是平整的，采用平面界面形貌；(5)假定模型尺寸極小，可完全被強流脈沖電子束覆蓋。

設立該三維模型，采用熱傳遞分析，長寬高均為50 μm，如圖1 所示。 賦予該部件屬性時，需要設定材料各向同性，具體粘結層MCrAlY 物理參數如表1。

表1 粘結層MCrAlY 的熱物理參數Table 1 Thermophysical parameters of bonding layer MCrAlY

圖1 粘結層模型Fig.1 Bond coating model

1.3 網格劃分

有限元分析時，網格劃分越密計算結果越趨近于真實解。 要協調好計算精確度、 計算效率、存儲空間這3 個部分的權重，在滿足需要的計算精確度的條件下，需盡量使得計算效率高、存儲空間小。

該模型是熱分析，需要采用二次傳熱六面體單元進行網格劃分。 由于在強流脈沖電子束轟擊之下，粘結層中的溫度影響僅為幾十微米，為增加計算效率、節省存儲空間，只需細分粘結層表面幾十微米深度的網格。 具體網格劃分方式是20 節點單元整體布種，采用單精度選項控制大小，其中表層最小節點尺寸是2.5 μm×2.5 μm×0.4 μm，最大節點2.5 μm×2.5 μm×2.5 μm。 具體網格劃分如圖2 所示。

圖2 粘結層網格劃分Fig.2 Bond coating mesh generation

1.4 載荷的施加及溫度場的設定

由于建立的分析步是熱傳遞，采用施加面熱流密度載荷的方式來模擬強流脈沖電子束，即將強流脈沖電子束能量密度、脈沖時間等參數轉化為面熱流密度進行研究。 強流脈沖電子束的能量密度、脈沖時間與熱通量之間的關系滿足下列函數:

由此可推導出不同能量和脈寬強流脈沖電子束所對應的熱通量。 幾種不同脈沖電子束時間與熱通量之間的關系見圖3。

圖3 6.0 μs 脈寬強流脈沖電子束熱通量函數Fig.3 6.0 μs HCPEB heat flux function

溫度預定義場設為293 K，即將初始環境溫度設置為室溫。 定義完載荷后將載荷施加于粘結層表層，進行溫度場模擬。

2 結果與討論

2.1 溫度場模擬

利用ABAQUS 模擬強流脈沖電子束轟擊粘結層的過程，模擬完畢后采用NT11 節點溫度場輸出繪制云圖，得出不同能量強度和脈寬的電子束轟擊粘結層模擬出的溫度場。 如圖4 所示，分析了不同能量強度、不同脈寬下對粘結層深度溫度場和瞬時表面溫度的影響。 當4 J/cm2，0.8 μs 時，表面溫度最高為1 010 K，當4 J/cm2，6.0 μs 時，表面溫度最高為1 916 K，當6 J/cm2，6.0 μs 時，表面溫度最高為2 867 K，當6 J/cm2，15.0 μs 時，表面溫度最高為3 964 K。

圖4 不同能量強度不同脈寬電子束轟擊粘結層的溫度場云圖Fig.4 HCPEB temperature field of bonding layer at different energy intensity and pulse width

2.2 不同能量強度電子束對粘結層深度溫度場的影響

圖5 為不同能量強度脈寬相同(6.0 μs)的電子束轟擊粘結層溫度場分析。 當脈寬都為6.0 μs 時，6 J/cm2能量強度時表面溫度最高并且溫度場輻射范圍最大，在深度8.5 μm 時達到室溫，4 J/cm2能量強度時溫度場影響范圍到深度約8.4 μm 為止。 2 J/cm2能量強度電子束到7.5 μm 時下降到室溫。 當脈寬都為6.0 μs 時，2 ～6 J/cm2能量強度的電子束在溫度影響范圍上差異并不大，都僅在8 μm 左右，表明粘結層材料的熱傳遞效率較低，能量的轉換效率不高。

圖5 不同能量強度6.0 μs 電子束轟擊粘結層的溫度場Fig.5 6 μs HCPEB temperature field of bonding layer at different energy intensity

2.3 不同脈寬電子束對粘結層溫度場的影響

圖6 為不同脈寬電子束對粘結層溫度場的影響。在同為4 J/cm2能量密度下，不同脈寬電子束隨深度變化是不同的，溫度場變化十分明顯。 其中6.0 μs 脈寬電子束轟擊時表面溫度最高，并且直到約8.4 μm 時才恢復室溫293 K，即電子束轟擊粘結層溫度場變化范圍是從表面到8.4 μm 深度。 而1.5 μs 脈寬電子束轟擊時表面溫度次高，4.4 μm 深度以下恢復室溫。 0.8 μs電子束影響溫度范圍最小，表面溫度也最小，只能影響到3.4 μm 以內。

圖6 不同脈寬4 J/cm2 能量密度電子束轟擊粘結層的溫度場Fig.6 4 J/cm2HCPEB temperature field of bonding layer at different pulse width

同樣，對6 J/cm2能量的強流脈沖電子束不同脈寬情況下所造成的粘結層深度溫度影響做了分析，如圖7。 當脈寬為15.0 μs 時表面溫度最高，影響范圍也最大，當深度達到15.3 μm 時恢復室溫。 6.0 μs 時溫度輻射范圍達到8.5 μm，脈寬1.5 μs 時深度到4.4 μm 時回到室溫。 而脈寬為0.8 μs 時溫度最低，且溫度影響范圍也最小，深度到3.8 μm 時即降至室溫。 由此可知，脈寬越大，粘結層最高溫度和溫度影響范圍也越大。相同能量密度不同脈寬粘結層溫度隨深度變化的降低速率大體一致。

圖7 不同脈寬6 J/cm2 能量密度電子束轟擊粘結層的溫度場Fig.7 6 J/cm2HCPEB temperature field of bonding layer at different pulse width

2.4 不同電子束隨時間變化對粘結層表面溫度場的影響

研究分析了不同脈寬、不同強度強流脈沖電子束隨時間變化對粘結層表面溫度場的影響，如圖8。 0.8 μs 脈寬電子束轟擊粘結層時的情況，4 J/cm2能量密度電子束轟擊時表面溫度到0.35 μs 時達到最大值，為1 010 K，當6 J/cm2時表面溫度到0.34 μs 時到最大溫度，為1 296 K。

圖8 不同能量強度0.8 μs 脈寬電子束轟擊粘結層的表面溫度場Fig.8 0.8 μs HCPEB surface temperature field of bonding layer at different energy intensity

圖9 是6.0 μs 脈寬強流脈沖電子束轟擊粘結層的溫度場，分析可知相同脈寬的不同能量密度的電子束都在大致相同的時間達到最大值。

圖9 不同能量強度6.0 μs 脈寬電子束轟擊粘結層的表面溫度場Fig.9 6.0 μs HCPEB surface temperature field of bonding layer at different energy intensity

表2 是不同脈沖電子束轟擊粘結層溫度場的主要測量值，使粘結層達到改性的溫度為1 728 K，根據數據結果可知使粘結層達到熔點發生改性的電子束應該

表2 不同脈沖電子束主要測量值Table 2 The main measured values of HCPEB

為能量密度為4 J/cm2、脈沖時間為6.0 μs，或能量密度 達到6 J/cm2時、脈寬在1.5 μs 以上。

3 結 論

(1)當強流脈沖電子束脈寬固定時，不同能量密度的電子束在溫度影響范圍上差異并不大，表明粘結層材料的熱傳遞效率較低，能量難以傳遞到其內部。

(2)當強流脈沖電子束能量密度固定、脈沖時間不固定時，電子束轟擊試樣時試樣內的溫度場分布變化較大，脈寬越大，粘結層最高溫度和溫度影響范圍也越大。 相同能量密度不同脈寬溫度隨深度變化的降低速率也是大體一致的。

(3) 相同脈寬的不同能量密度的電子束都在大致相同的時間表面溫度達到最大值，同時它們的降溫速率也大致相同。

(4) 能量密度為4 J/cm2、脈沖時間為6.0 μs，或能量密度達到6 J/cm2脈寬在1.5 μs 以上時可使粘結層發生改性。