孔隙结构对大气等离子喷涂热障涂层抗侵蚀性能影响的数值研究

邸娟,陈高飞,颜晓江,刘峰

(1.太原科技大学机械工程学院,030024,太原;2.西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安;3.太原理工大学机械与运载工程学院,030024,太原)

燃气轮机涡轮叶片表面涂覆热障涂层是提高其服役寿命的重要方法,通过在燃机涡轮叶片上使用热障涂层(TBCs)技术,弥补了高温合金许用工作温度的不足,可提高涡轮进口温度约100 ℃,在隔热延寿、防黏结氧化以及防颗粒冲蚀等方面起到重要作用。微细固体颗粒冲击热障涂层表面产生的冲蚀损伤,目前已成为影响热障涂层失效的第二大关键因素[1-7]。

大量的实验观察和测试结果表明,TBCs冲蚀损伤模式不仅受到冲蚀颗粒的尺寸、速度及冲蚀角的影响,还取决于涂层的力学性能及内部微观结构。目前TBCs的制备工艺主要以大气等离子喷涂和电子束物理气相沉积工艺最为常用[8-13]。由于制备工艺的不同,两种涂层在形成的微观组织结构、抗冲蚀能力以及失效模式上都存在很大差异。

电子束物理气相沉积(EB-PVD)热障涂层的显微组织呈相对规则的柱状晶结构,其冲蚀机理和冲蚀失效机制已通过理论分析、实验研究及数值求解等手段开展了较为深入的研究[4,14-18];而大气等离子喷涂涂层的微观结构近乎层状,整个陶瓷层可以看成是含大量孔隙和微裂纹的疏松层状单元叠加而成[19],其冲蚀失效主要表现为在粒子的冲击作用下层状单元的边缘形成裂纹,并在持续冲击下,导致裂纹扩展并沿着边缘剥落,陶瓷层在冲击过程中不产生明显的致密区[20]。由于其复杂的涂层结构,关于其冲蚀性能的研究尚不深入,且主要是基于实验测试和显微观测,其失效机理并不明确,还需进一步研究。此外,孔隙和裂纹等缺陷结构为等离子喷涂涂层的层状单元提供了更多的剥落源,研究表明,孔洞及裂纹等缺陷结构的分布及组织形态对涂层冲蚀率、残余应力分布有显著影响[6,21-22]。

本文基于大气等离子喷涂涂层的缺陷结构特征,建立含有圆形孔隙和真实微观结构的涂层冲蚀模型,探索孔隙率、孔隙半径等关键参数对冲蚀性能的影响,以期进一步探究大气等离子喷涂热障涂层的冲蚀特性。

1 孔隙涂层的数值模型

1.1 孔隙模型

大气等离子喷涂法是将氧化钇部分稳定氧化锆(ZrO2(7～8)Y2O3)粉末沉积在高温合金表面形成的一层陶瓷涂层。所制得的热障涂层的陶瓷层孔隙率f一般在4%到20%,且层内缺陷结构杂乱无章,不易于分析各种缺陷对陶瓷层冲蚀性能的影响情况。针对其结构特点,对陶瓷层内的缺陷做了合理简化,剔除了存在的微裂纹,同时将孔隙简化为圆形孔洞,并将圆形孔洞随机分布。这种处理将陶瓷层内复杂的结构缺陷分离为孔隙率、孔隙大小、孔隙分布这样的单一变量,随后即可针对各个影响因素进行独立研究,进而为制备工艺的改进提供参考。

通过程序编写,完成随机孔洞材料2D模型的建立。定义材料形状、尺寸及圆形孔洞的尺寸、数量及分布范围,并确保圆形孔洞间互不相交,由于程序中含有随机函数,每次运行得到的模型的孔隙的分布情况都不一样,值得注意的是,有时运行得到的数据模型的孔洞会分布在较边缘的位置,常常在后续有限元计算中导致结果不收敛,为了后续仿真工作的顺利进行,可通过多次运行调试得到孔洞分布较为理想的数据模型。孔隙结构的一次运行结果如图1所示。采用边长为100 μm的正方形,孔隙半径为0.1～1 μm,孔隙率f为5%。

图1 孔隙结构的一次运行结果Fig.1 A program-execution result of pore structure

将得到的圆心位置坐标x、y及孔隙半径rf等孔隙参数输出到excel表中,使用Python脚本编写程序,在Abaqus软件中建立含随机分布圆形孔隙的等离子喷涂涂层冲蚀模型,有限元模型流程如图2所示。

图2 含随机孔隙结构有限元模型流程图Fig.2 Flow chart of finite element model with random pore structure

1.2 陶瓷层性能参数

建立的涂层冲蚀模型中,陶瓷层内孔隙率f为5%,孔隙半径rf在0.1～1 μm范围内,材料相关参数的选取见表1[20,23]。冲蚀粒子直径dp为20 μm,密度ρp为2 g·cm-3,冲蚀速度V0为200 m·s-1,并将颗粒定义为刚体。建立的二维含随机孔洞的冲蚀有限元模型及网格如图3所示。

表1 陶瓷层材料相关参数的选取Table 1 Parameters of the ceramic layer

(a)0.8 μm孔隙模型的孔隙率为5%

(b)孔隙半径为0.1～1 μm时随机分布孔隙的有限元网格图3 二维含随机孔洞的冲蚀有限元模型及网格 Fig.3 Two-dimensional erosion model with random pore structure (geometric model and grid)

本节采用可用于脆性材料的断裂分析[24-25]的脆性断裂准则模拟陶瓷层冲蚀失效。采用脆性断裂准则需定义以下几个特征参数:首先是给定材料的抗拉强度,也就是最大主拉应力破坏准则(第一强度理论),即判断材料什么时候开始发生破坏;之后定义其开裂后的软化特性,陶瓷层材料设置为GFI类型,即软化规律主要通过开裂能量和破坏载荷的关系来确定;另外,还需定义材料发生开裂后开裂面的剪切性能,这里选取了指数形式,具体参数由实验获得[26];最后,通过设置脆性失效指定材料失效应变,将失效单元从模型中删除,材料单向裂纹失效破坏应变参数取自实验[26]。

以孔隙半径为0.8 μm、孔隙率为5%的冲蚀模型为例进行网格独立性考核。网格无关性验证如图4所示。为便于比较不同孔隙半径及孔隙率下的冲蚀质量,定义了一个无量纲参数,即靶材的相对冲蚀质量,定义为平均冲蚀质量与靶材原始质量的比值,表达式为

(a)靶材相对冲蚀质量 (b)颗粒最大压入深度图4 网格无关性验证Fig.4 Grid independence verification

(1)

图4a和图4b分别表示靶材相对冲蚀质量和颗粒最大压入深度随网格数的变化规律。由图4可以看出,当模型网格数达到80 770,相对冲蚀质量及颗粒最大压入深度随网格数的变化基本可以忽略不计,本文最终选用网格数80 770,对应的最小网格尺度约为0.2 μm。

2 数值计算结果与分析

由于随机函数控制模型中孔隙的分布情况,因此在孔隙率、孔隙尺寸相同的情况下,每次运行程序得到的陶瓷层模型的孔隙分布情况都各不相同。为消除其对冲蚀性能的影响,对每种冲蚀模型取多种孔隙分布情况进行求解计算,得到冲蚀质量平均值。

图5给出了孔隙半径为0.4 μm时两种不同孔隙分布情况下的APS-TBCs冲蚀后形貌。图6给出了各种孔隙半径分布情况下的APS-TBCs裂纹萌生及扩展情况。

(a)孔隙分布1 (b)孔隙分布2图5 孔隙半径为0.4 μm时两种孔隙分布情况下的APS-TBCs冲蚀后形貌Fig.5 The eroded morphologies of APS-TBC with 0.4-μm pore radius under two different pore distributions

(a)0.6 μm (b)0.8 μm

(c)1.0 μm (d)2.0 μm

(e)3.0 μm (f)4.0 μm

(g)5.0 μm图6 各种孔隙半径情况下裂纹萌生及扩展情况Fig.6 Post-impact morphologies with crack initiation and propagation for various pore radius

图7 涂层相对冲蚀质量随冲蚀角的变化Fig.7 The relationship between erosive mass loss of coating and impact angle

以孔隙半径0.8 μm、孔隙率5%为例,研究了冲蚀角对冲蚀性能的影响。图7给出了涂层冲蚀质量随冲蚀角的变化。由图7可以看出其变化规律呈典型的脆性材料冲蚀特性[1]。涂层的冲蚀质量随着冲蚀角的增加而增加,最大冲蚀质量在冲蚀角为90°碰撞下取得,这也对模型可靠性进行了一定的验证。

(a)孔隙半径0.1～1.0 μm随机分布及孔隙半径在0.2～1.0 μm内取定值

(b)孔隙半径在0.2～5.0 μm内取定值图8 靶材相对冲蚀质量随孔隙半径的变化Fig.8 The variation of relative erosive mass loss of target with pore radius

(a)f=0.5% (b)f=1%

(c)f=3% (d)f=7%

(e)f=10% (f)f=15%

(g)f=20%图9 APS-TBCs陶瓷层在各孔隙率下的冲蚀后形貌及裂纹萌生与扩展情况Fig.9 The eroded morphologies with crack initiation and propagation of APS-TBCs with different porosity

涂层相对冲蚀质量随孔隙率的变化如图10所示。由图10可以看出,孔隙率在5%以下,冲蚀比较严重,且冲蚀质量波动性很强,孔隙处应力集中,裂纹扩展不易终结。孔隙率在5%～7%范围内时,孔隙数多且分布密集,此时陶瓷层达到弥散状态,具有很好的消除应力集中的作用,因而涂层具有较好的抗冲蚀性能。当涂层孔隙率在10%～20%范围内进一步增加,冲蚀质量变化很小,基本呈稳定趋势,且由于孔隙更加密集,也具有一定的消除应力集中的作用,因此裂纹萌生扩展后很快终结。

f/%图10 涂层相对冲蚀质量随孔隙率的变化Fig.10 Curve of erosive mass loss of coatings vs. porosity

3 结 论

本文基于理论分析和数值模拟,对燃机涡轮热障涂层的抗冲蚀特性进行了初步研究,建立了热障涂层冲蚀模型,并结合大气等离子热障涂层结构特点,分析了含随机分布孔隙的大气等离子热障涂层的冲蚀性能。建立了含有圆形孔隙的大气等离子热障涂层模型,将孔隙半径、孔隙率等陶瓷层内关键参数对冲蚀性能的影响进行了分析。结果表明:

(1)孔隙率f一定时,陶瓷层内的孔隙分布对冲蚀质量有着重要影响;

(2)孔隙率f一定、隙半径为0.2 μm时,其抗冲蚀性能优于无孔隙结构的热障涂层;

(3)当孔隙半径为0.6～1.0 μm时,冲蚀质量较为稳定;当孔隙半径超过1.0 μm后,冲蚀质量显著增大;

(4)以孔隙半径为0.8 μm为例,孔隙率小于5%,冲蚀比较严重,且冲蚀质量波动性很强。孔隙率在5%～7%范围内,涂层具有较好的抗冲蚀性能。当涂层孔隙率在10%～20%范围内,冲蚀基本呈稳定趋势。