热障涂层中孤岛氧化物对界面残余应力的影响

韩志勇，靖珍珠

（中国民航大学天津市民用航空器适航与维修重点实验室，天津 300300）

热障涂层中孤岛氧化物对界面残余应力的影响

韩志勇，靖珍珠

（中国民航大学天津市民用航空器适航与维修重点实验室，天津 300300）

使用ABAQUS有限元分析软件研究热障涂层热循环过程中孤岛氧化物对涂层界面残余应力的影响。选取正弦和平面形貌作为涂层的典型界面特征。结果表明，氧化物位于波峰处对涂层界面残余应力的影响大于位于波谷处对界面的影响。孤岛氧化物距离TGO/BC界面越近，对界面残余应力影响越大。孤岛氧化物半径越小对TGO/BC界面残余应力影响越小。

热障涂层；孤岛氧化物；残余应力；有限元分析

热障涂层（thermal barrier coatings，TBCs）是一种先进的表面防护技术，在航空航天中发挥着极大的作用。热障涂层主要由陶瓷层（TCC）和粘结层（BC）组成，通常使用等离子喷涂技术、电子束气相沉积和激光重熔技术等方法制备。

在热循环过程中，涂层中金属元素被氧化在粘结层和陶瓷层之间会形成一层热生长氧化物（thermally grown oxide，TGO）。在热循环作用下，随着TGO长大，由于热物性的不匹配，TCC/TGO、TGO/BC界面间的残余应力是热障涂层失效的主要原因[1-2]。对于涂层失效，国内外学者主要针对热障涂层界面形貌做了大量研究[3-5]。由于氧化过程极为复杂，对于涂层中孤岛类热生长氧化物对涂层界面应力影响的研究相对较少，为了提高热障涂层的使用寿命及机械完整性，对热障涂层中孤岛状氧化物产生的残余应力进行研究。

对于热障涂层中孤岛氧化物对界面残余应力的影响分析，实验过程中采用计算机模拟的方法，使用有限单元法，根据氧化后的涂层界面形貌在有限元软件ABAQUS中建立模型计算。

1 实验方法与模型建立

采用GH99镍基高温合金制备出尺寸为H=6mm，φ=25 mm的圆柱作为基底材料，使用美国PRAXAIR 3710型等离子喷涂设备制备厚度约为120 μm的粘结层CoCrAlY和150μm陶瓷层8YSZ（ZrO2-8wt%Y2O3），制备的样品经过高温热循环后，典型的热障涂层电子扫描图像如图1所示[6]。

据图1中界面特征，不失一般性，计算过程中采用二维模型，计算单元选取正弦和平面形貌，如图2所示。设定模型中的陶瓷层、热生长氧化物层、粘结层的厚度分别为120 μm、5 μm、100 μm。涂层界面形貌中正弦曲线函数为y=20 cos（πx/20），单位为μm，界面中直线长度为20 μm。

图1 高温热循环处理后热障涂层界面SEM图Fig.1 Interface SEM image after thermal cycling

图2 热障涂层界面形貌模型Fig.2 Pattern model of TBCs interface

对于孤岛氧化物，模型中分别设定了不同位置、距离、大小的孤岛氧化物进行对比。关于位置设定，每个模型中建立4个孤岛氧化物，2个分布在TGO/BC界面正弦波的波峰，2个分布在波谷。关于距离设定，建立两组与界面不同距离孤岛氧化物进行对比。关于大小设定，通过建立不同半径孤岛氧化物进行对比。

本文建立了3个模型，每个模型均由陶瓷层、粘结层、热生长氧化物层和4个孤岛氧化物组成。模型一中孤岛氧化物距界面距离d1为17.5 μm，半径R1为7.5μm；模型二中孤岛氧化物距界面距离d2为12.5μm，半径R1为7.5 μm；模型三中孤岛氧化物距界面距离d2为12.5 μm，半径R2为5 μm。

实验过程中，金属基体相对粘结层和陶瓷层厚度较大，因而设定基体固定不变。研究对象仅选取热障涂层的一小部分，故假设临边对称。此实验为一次降温过程，根据陶瓷层、热生长氧化物层、粘结层的各项物理参数随温度的变化[7-8]，设定陶瓷层初始温度为1 000℃，热生长氧化物层初始温度为900℃，粘结层以及粘结层中孤岛状的氧化物初始温度为800℃，均降温至25℃。

2 实验结果

对模型进行求解，得到热障涂层应力分布情况，如图3所示。

图3 残余应力分布云图Fig.3 Contour nephogram of residual stresses

3 分析与比较

3.1 不同位置孤岛氧化物对界面残余应力影响

热障涂层模型中，4个孤岛氧化物从左到右依次编号为1号、2号、3号和4号，1号和3号处于界面正弦波波峰位置，2号和4号处于波谷。以模型一为研究对象，分析4个孤岛氧化物对界面残余应力影响。模型一中TGO/BC界面各点残余应力如图4所示。

从图4中可看出，曲线在48 μm、105 μm、182 μm、240 μm、268 μm处取极小值点，48 μm和182 μm位于TGO/BC界面正弦曲线波峰处，105 μm和240 μm为波谷处，因而孤岛氧化物对界面残余应力影响较大。而波峰处应力小于波谷处应力，因而说明波峰处孤岛氧化物对界面残余应力影响要大于波谷处的孤岛氧化物。

3.2 距界面不同距离的孤岛氧化物对残余应力影响

通过模型一与模型二之间的对比可以得到不同距离的孤岛氧化物对界面残余应力的影响。TGO/BC界面的应力如图5所示，x表示界面上各点与模型最左端的距离。

图4 TGO/BC界面各节点的残余应力曲线Fig.4 Residual stresses curves of nodes on interface TGO/BC

图5 对于不同深度孤岛氧化物TGO/BC界面各点的残余应力曲线Fig.5 Residual stresses on interface of TGO/BC for isolated oxides of different depths

图5中两条曲线在 48 μm、105 μm、182 μm、240 μm、268 μm处取极小值点，这些点位于TGO/BC界面波峰和波谷处，因而离孤岛氧化物较近，两条曲线在89 μm、121 μm、222 μm、255 μm处取得极大值，这些点离孤岛氧化物远，说明孤岛氧化物对界面残余应力有显著影响。同时，与界面距离越小，极小值越小，极大值越大，孤岛氧化物与TGO/BC界面越小对其残余应力影响越大。

3.3 不同大小的孤岛氧化物对界面残余应力影响

孤岛氧化物大小不同时，对涂层TGO/BC界面残余应力的影响如图6所示。图6两条曲线在48 μm、105 μm、182 μm、240 μm、268 μm处取极小值点，各点位于TGO/BC界面波峰和波谷处，离孤岛氧化物较近，在89μm、121μm、222 μm、255 μm处取得极大值，各点离孤岛氧化物远。图6中半径越小，极小值越大，极大值越小，故孤岛氧化物半径越小对TGO/BC界面残余应力影响越小。

图6 孤岛氧化物大小对TGO/BC界面的残余应力影响Fig.6 Residual stresses on interface of TGO/BC for isolated oxides of different radii

4 结语

1）由于热循环作用，热障涂层中波峰处的孤岛氧化物对TGO/BC界面残余应力的影响要比波谷处氧化物的影响大，在界面波峰和波谷处存在应力集中，是涂层失效的危险点。

2）孤岛氧化物与TGO/BC界面距离对残余应力影响较大，其越小对TGO/BC界面残余应力影响越大。

3）孤岛氧化物大小对热障涂层残余应力影响显著，半径越大对TGO/BC界面残余应力影响越大。

[1]HERMAN H，SHANKAR N R.Survivability of thermal barrier coatings [J].Mater Sci Eng，1987，88（1）：69-74.

[2]曹学强.热障涂层材料[M].北京：科学出版社，2007.

[3]董 丽.ZrO2热障涂层残余应力有限元模拟[D].大连：大连理工大学，2012.

[4]姚国凤，马红梅.热障涂层界面形貌尺寸与残余应力的关系[J].金属热处理，2005，30（10）：43-46.

[5]朱 晨，刘 杨.界面形貌对热障涂层残余应力影响的数值模拟[J].焊接技术，2010，39（3）：10-12.

[6]HSUEH C H，EDWIN R，FULLER JR.Residual stresses in thermal barrier coatings：Effects of interface asperity curvature/height and oxide thickness[J].Materials Science and Engineering A，2000，283（1/2）：46-55.

[7]KARLSSON A M，LEVI C G，EVANS A G.A model study of displacement instabilities during cyclic oxidation[J].Acta Materialia，2002，50（6）：1263-1273.

[8]KARLSSON A M，XU T，EVANS A G.The effect of the thermal barrier coating on the displacement instability in thermal barrier systems[J]. Acta Materialia，2002，50（5）：1211-1218.

（责任编辑：杨媛媛）

Effect of isolated oxide on interface residual stress in thermal barrier coatings

HAN Zhi-yong，JING Zhen-zhu
（Civil Aircraft Airworthiness and Maintenance Key Lab of Tianjin，CAUC，Tianjin 300300，China）

The interface residual stresses in thermal barrier coatings during thermal cycling for different isolated oxides are modeled by using finite element analysis software ABAQUS.Sine and plane patterns are selected as typical interfaces feature of TBCs.It shows that the effect of oxide in the peak on the interface residual stresses is more significant compared with the oxide in the trough.With shorter distance between isolated oxide and TGO/ BC interface，the influence of the isolated oxide on the interface residual stresses gets more serious.Besides，the shorer of the isolated oxide radius，the less effect of which on the interface residual stresses.

thermal barrier coatings；isolated oxide；residual stress；finite element analysis

TG172.6

：A

：1674-5590（2014）08-0036-03

2013-07-02；

：2013-09-06

：国家自然科学基金项目（U1333107）

韩志勇（1970—），男，河北石家庄人，副教授，博士，研究方向为表面改性.