某型压气机内机匣基体—涂层结合强度分析

陈振中 张帅 赵浩宇 王璐璐 赖泽平

摘要：利用SolidWorks对某型APU压气机内机匣进行等比例简化，建立数学模型。首先利用ANSYS软件对内机匣与涂层进行静力学分析，得到静态下的温度场及位移场。其次，将输出结果导入稳态热模块（SteadyState Thermal）中进行热分析，得到工作温度为600℃时的各部分应力应变云图。最后，通过对基体-涂层进行有预应力的模态分析，计算出基体-涂层的前10阶固有频率和振型，通过最大应力和位移点以及模态变形情况表征热振性对内机匣与涂层的界面结合强度的影响。

关键词：SolidWorks;ANSYS;封严涂层;界面结合强度

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

0 引言

现代大型客机追求经济性和环保性，节能减排是飞机设计的重要要求之一[1]。利用可磨耗封严涂层减少发动机机叶径向间隙是降低发动机油耗、提高工作效率、提高飞机整体性能的重要途径[2]。

典型的封严涂层有Metco307NS镍包石墨涂层、Metco601NS铝硅聚苯酯涂层、Metco203NS氧化釔-氧化锆涂层等[3]。航空发动机可磨耗封严涂层的关键性能如下[4]。

1）可磨耗性：在叶片与压气机内机匣发生刮磨时，封严涂层平衡自身强度与可刮削程度，保护叶尖和机匣内壁。

2）界面结合性能：指涂层和基体之间的结合强度。在相同的外界载荷下，界面结合的强度越高、界面的韧性越好，抵抗界面裂纹的能力也越强，界面结合的良好与否很大程度上决定涂层的服役寿命[5]。

3）抗热振性：指高温下抗振动冲击能力。飞机运行工况复杂，良好的抗热振性使涂层在发动机内部温度发生变化时不会轻易损耗、失效。

4）抗冲蚀性：发动机运行时会受到气流及气流中携带的粒子的高速冲刷，抗冲蚀性指抵抗高速气流冲蚀的能力。

涂层的典型失效形式是从基体上剥离，因而表征涂层与基体的界面结合强度对工程应用有着重要意义[6]。目前为止，表征涂层与基体的界面结合强度的方法众多，但没有一种标准统一的测试方法能应对种类繁多、样式复杂的涂层—基体系统[7][8]。定量测量涂层与基体的界面结合强度需要准确、合理地建立涂层从基体上剥落时的数学模型，并且需要有效表征与界面结合强度综合性能有关的各种参量。国内外的学者越来越多地采用有限元技术研究基体—涂层的性能，取得了较好的研究成果[9]。

1 基于SolidWorks的基体—涂层三维建模

使用Solidwork对压气机内机匣基体—涂层建立模型，如图1所示。为了便于计算，对基体—涂层做如下假设：面层、粘结层、基体各个部分的材料性能参数为常数，不随应力和时间改变;基体—涂层一直处于弹性形变，不发生塑性变形;忽略面层、粘结层的化学腐蚀现象。表1为涂层材料性能参数[10]。

2 数值模拟

2.1 封严涂层的静力学分析

模型分为3个部分，依次为面层、粘结层与基体。面层材料为铝硅聚苯脂，厚度为0.5mm;粘结层为镍铝合金，厚度为0.2mm;基体材料为结构钢，厚度为2.21mm。结构网格为自适应网格划分，对粘结层网格进行加密，施加边界条件，应力场和位移场如图2、图3所示。

由静力学分析可知，应力场和位移场最大应力值为0.001MPa，最大位移值为0.001mm。由云图可知，最大的应力值处与最大的位移处均在机匣罩中间位置，推断在该处涂层容易发生脱落，即界面结合强度较低。与图4、图5的实际工况进行比较，较为符合实际工况情况。

2.2 封严涂层的力—热耦合分析

根据相关研究[4]，涂层的脱落和失效与温度的影响密不可分。为了充分模拟压气机内机匣的实际工作状态，本研究侧重涂层各部分在真实的工作状态下（600℃）的应力、位移变化情况，对机匣罩罩沿施加固定约束，在面层施加载荷气动力进行求解。

图6、图7为热—力耦合分析的应力场、位移场。由云图可知，最大应力值为0.0011MPa，最大的位移值为0.00113mm，最大的应力值处与最大的位移处均在机匣罩中间位置。与静力学分析对比，仿真结果的数量级基本一致，因此温度与基体—涂层的结合强度有关。

2.3 封严涂层的抗热振性分析

压气机内机匣在工作中可能因转子不平衡、尾流激振等问题引起振动，影响基体—涂层的界面结合强度，影响涂层的服役性能及使用寿命。模态求解完毕后，应用ANSYS中Custom Systems的Random Vibration对基体—涂层进行随机振动的热分析，添加PSDG Acceleration，边界条件选择固定约束，方向定位z方向，加速度谱设为10范围值的最大值，需要小于最大模态的2/3，这里定为500Hz。在工作温度600℃下进行10次具有预应力的模态分析，模态频率如表2所示，一阶振型的压力场和位移场分别如图8、图9所示。

通过对封严涂层的抗热振性进行分析，观察一阶振型的应力应变云图，最大的位移值为4.57×10-7mm，最大应力值为1.6×10-5MPa，与上文中的仿真结果比较，考虑到网格精度、小数精度、计算精度，认为仿真结果较为可信。

3 结论

通过对某型压气机内机匣的基体—涂层结构进行参数化简化、建立模型。首先进行静力学分析，得到瞬态基体—涂层结构的压力场以及位移场，得到涂层损耗的模拟数值和易损位置，与实际工况的损伤较为一致。其次探究温度与振动两个影响因素，进行了热—力耦合分析及随机振动分析，得出应力、位移云图，并与实际工况的损伤报告进行对比分析，结果与实际工况基本一致，表明温度与振动对基体—涂层的结合强度具有一定的影响。

参考文献

[1]李丽雅，田云.中国大飞机研发历程与技术突破[J].中国工业评论，2015（Z1）：36-43.

[2]刘夙伟，李曙，刘阳.封严涂层材料及其可刮削性的评价[J].中国表面工程，2009，22（01）：12-18+24.

[3]张俊红，鲁鑫，何振鹏，王志平.航空发动机可磨耗封严涂层技术研究及性能评价[J]. 材料工程，2016，44（04）：94-109.

[4]毛国伟. 面向封严涂层可磨耗性评价的超高速磨耗机理及动力学研究[D].石家庄：河北工业大学，2014.

[5]杨班权，陈光南，张坤，罗耕星，肖京华.涂层/基体材料界面结合强度测量方法的现状与展望[J].力学进展，2007（01）：67-79.

[6]薛雷.基于划痕法TiN涂层摩擦接触失效机理研究[D]. 湘潭：湘潭大学，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，赵忠兴，杨景伟，孙杰.封严涂层的性能评价及研究进展[J].航空科学技术，2011（04）：17-20.

[10]张俊红，鲁鑫，何振鹏，王志平.铝硅聚苯酯封严涂层抗热冲击性能的数值模拟研究[J].机械科学与技术，2016，35（08）：1273-1279.

作者简介

陈振中，教授，主要从事结构疲劳断裂及可靠性分析。

张帅，在读研究生。

赵浩宇，工程师，主要从事辅助动力装置维修及测试方案研究。

王璐璐，高级工程师，主要从事辅助动力装置维修技术与可靠性管理研究工作。

赖泽平，在读研究生。