界面尺寸对热障涂层残余应力的影响

白玉梅

（山西大学工程学院，太原030013）

界面尺寸对热障涂层残余应力的影响

白玉梅

（山西大学工程学院，太原030013）

广泛应用于高温部件的热障涂层，其凹凸不平的界面形貌不仅影响界面的结合强度、应力分布，严重时甚至会导致涂层剥离、层裂和失效。文中针对正弦波形界面形貌的热障涂层，研究了界面尺寸（微坑深度、宽度和间距）对界面残余应力的影响。结果表明，界面几何形貌突变越严重，应力突变也随之加剧；不同的微结构尺寸影响因素对残余应力影响各不相同，其中微坑深度对残余应力的影响最为显著。

热障涂层；界面尺寸；残余应力

0 引言

目前，热障涂层材料的使用已大大提高了零件在苛刻环境下的服役寿命，但由于自身复杂的结构体系，在多次热循环作用下会导致界面处涂层剥落、层裂和失效。热障涂层材料的失效不仅与材料界面状态有关，也与残余应力密切相关［1］。因此研究界面特性与残余应力的关系具有非常重要的意义。本文针对陶瓷层/热生长氧化层/粘结层/基体的平面应变模型，就不同界面尺寸对应力的影响做了分析研究。

1 模型的建立

图1 热障涂层模型截面示意图

如图1所示，建立了基体/粘结层（BC）/热生长氧化层（TGO）/陶 瓷 层（TBC）的热障涂层模型，对应材料依次选 用 1Cr18Ni9Ti/ NiCoCrAlY（Y为微量元素）/Al2O3/ZrO2～8%Y2O3，各层的厚度分别为ts＝1mm，t1＝0.09mm，t2＝0.01mm和t3＝0.1mm。

取正弦波形界面形貌来研究界面尺寸对残余应力的影响，微结构尺寸包括：微坑深度h，宽度λ和间距d，如图2。各层材料参数见表1［2-3］。

结构两端为自由边界。假设基底及各层的界面为理想热接触，即温度和热流连续。陶瓷层表面给以稳定的温度载荷T，保温40 min后，撤掉热源降至室温25℃。基底表面为对流边界条件，换热系数h＝30 W/（m2·℃）。研究热障涂层受热冷却后，界面尺寸对层内和界面上的残余应力的影响。

图2 正弦波形界面形貌微结构示意图

表1 涂层体各层材料参数

2 分析讨论

2.1 微坑深度对残余应力的影响

保持微坑间距d和微坑宽度λ不变，选择不同的微坑深度h，研究沿涂层侧的应力分布情况。图3～图5表示不同波高h＝25 μm，50 μm和75 μm时，陶瓷层一侧界面应力σxx沿界面的分布情况。由图可见，随着h值的增大，界面应力σxx，σyy和σxy的值都有所增加，尤其是对拉应力的影响要远大于对压应力的影响；且微坑深度h对x方向应力的影响明显大于沿y方向应力的分布。这是由于h增大，会使界面形貌的曲率增加，而界面应力会随界面形貌曲率的增加而增大。

图3 不同微坑深度下应力σxx沿x轴的分布

图4 不同微坑深度下应力σyy沿x轴的分布

图5 不同微坑深度下应力σxy沿x轴的分布

2.2 微坑间距对残余应力的影响

保持微坑深度h和宽度λ不变，考察微坑间距d对应力的影响。图6～图8为不同间距d时，沿微坑处点A至点E的真实路径下界面应力σxx，σyy和σxy的分布图。从图中我们可以看出，间距d越小，对界面应力的影响越大，尤其是对σxx的影响尤为明显，见图8。3种应力中，拉应力σxx起主导作用，说明沿涂层界面方向（即x方向）拉应力是影响界面应力的主要因素，这与文献［5］结论一致。

图6 不同间距时应力σxx沿x轴分布

图7 不同间距下应力σyy沿x轴的分布

图8 不同间距下应力σxy沿x轴的分布

2.3 微坑宽度对残余应力的影响

保持微坑间距d和微坑高度h不变时，研究不同的微坑宽度（λ＝0.1 mm，0.2 mm，0.4 mm）对应力的影响。图9表示不同微坑宽度λ作用下，界面应力沿涂层侧的分布，从分析结果可以看出，微坑宽度越窄，平行于界面的压应力σxx越大，而微坑宽度越窄，界面形貌的曲率越大，由此可见，平行于界面的压应力σxx随界面曲率的增加而增大。因此，在设计热障涂层界面形貌时要应尽量避免较大曲率的界面形貌出现。图中还可以看出，微坑宽度λ值越小，在拐点处应力集中更为明显，波长λ越大，界面形貌越为平缓，不易出现应力集中。

图9 不同微坑宽度时涂层内应力σxx的分布

3 结论

界面微尺寸的结构影响热障涂层材料中残余应力的大小、分布及性质。涂层中垂直于界面方向的应力σxx随着微坑高度h的增大而增大；微坑宽度λ越大界面越平缓，对应力的影响越小；不同间距d对应力也有一定的影响，间距越大应力值越小。但这三者中，微坑高度h对残余应力的影响最为显著。

界面几何突变愈剧烈，便会加剧界面形貌的曲率变化，曲率的增加会使界面的应力σxx增加，此应力会导致界面方向裂纹的产生和扩展，所以在涂层界面设计时，应尽量避免较大曲率的界面形貌出现。

［1］ 马维，潘文霞，张文宏，等.热喷涂涂层中残余应力分析和检测研究进展［J］.力学进展，2002，32（1）：41-56.

［2］ 席军，段祝平.激光辐照热障涂层中平面应变问题的热弹性变化分析［J］.强激光与粒子束，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，徐颖强，赖明荣，等.热障涂层热不匹配残余应力的分析研究［J］.科学技术与工程，2011，11（14）：3126-3129.

（编辑昊 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，研究方向为机械设计理论。

2014-03-04