CN107862163A - 一种激光熔覆纳米YSZ@Ni制备YSZ热障涂层应力场模拟方法 - Google Patents

一种激光熔覆纳米YSZ@Ni制备YSZ热障涂层应力场模拟方法 Download PDF

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郑海忠
周培峰
王丽
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Abstract

本发明公开了一种激光熔覆纳米YSZ@Ni制备YSZ热障涂层应力场模拟方法，其特征在于方法步骤如下：在ANSYS中创建实体模型；建模时直接采用BLOCK语句生成几何实体模型；（2）定义材料属性并进行网格划分；（3）施加热源载荷并求解温度场；（4）热应力耦合求解应力场；（5）读取应力场模拟计算结果。本发明的优点是：本发明提供了一种通过ANSYS热应力耦合模拟激光熔覆YSZ@Ni制备YSZ涂层应力场的方法。通过模拟研究应力场的变化规律，有利于探索激光熔覆制备以及使用YSZ热障涂层中裂纹形成的机理及影响因素，这对控制熔覆层裂纹产生具有重要的现实意义和理论指导价值。

Description

一种激光熔覆纳米YSZ@Ni制备YSZ热障涂层应力场模拟方法
技术领域
本发明涉及一种热障涂层应力场模拟方法，具体为一种激光熔覆纳米YSZ@Ni制备YSZ热障涂层应力场模拟方法。
背景技术
热障涂层(TBC)因为其优越的隔热、抗腐蚀、抗热震性等性能被广泛应用于航空航天、冶金、化工等高温零部件的防护领域。其中YSZ(ZrO2部分稳定的Y2O3)热障涂层的应用非常广泛，激光熔覆纳米YSZ@Ni核壳粒子粉制备YSZ涂层成为获得YSZ热障涂层的有效的方法之一。在激光熔覆制备纳米YSZ核壳粒子的过程中，YSZ与基体材料热物性参数差距很大，并且能量高度集中，加热速度和冷却速度很快，在熔覆结束后必然会伴随着残余应力。该应力是裂纹源，在涂层的使用过程中会产生裂纹，影响YSZ热障涂层的使用寿命，甚至使涂层在激光熔覆过程中直接剥落。由此可见对激光熔覆制备纳米YSZ热障涂层的应力场研究尤为重要。
激光熔覆过程迅速，熔池在短时间发生复杂的物态变化，对于整个熔覆体系在熔覆过程及熔覆过程结束的应力分布情况通过试验方法测量比较困难。
发明内容
针对实验上测量激光熔覆制备YSZ热障涂层应力场分布规律的不足，本发明提供了一种激光熔覆纳米YSZ@Ni制备YSZ热障涂层应力场模拟方法。
本发明采用的技术方案如下：一种激光熔覆纳米YSZ@Ni制备YSZ热障涂层应力场模拟方法，其特征在于方法步骤如下：
(1)在ANSYS中创建实体模型；具体为：其中基体材料为GH4169，熔覆材料为YSZ@Ni纳米核壳粒子粉末，使用APDL参数话语言编写命令流，建模时直接采用BLOCK语句生成几何实体模型；
(2)定义材料属性并进行网格划分；
YSZ@Ni核壳粒子是通过化学镀法制备的:将配置好的YSZ悬液加入到配备好的NiCl2溶液中，再向其中加入水合肼充分混合均匀，放在恒温水浴中机械搅拌充分反应；此时镀液中各成分浓度为CNi＝0.12mol/L，CYSZ＝0.007mol/L，假设溶液反应完全计算可得YSZ@Ni核壳粒子中质量分数为WYSZ＝11.59％，WNi＝88.41％；对于YSZ@Ni纳米核壳粒子的性能参数，通过求各成分性能参数的算数平均值获得，具体计算参照公式
AYSZ@Ni＝0.8841ANi+0.1159AYSZ (1)
式中，AYSZ@Ni、ANi、AYSZ分别表示YSZ@Ni、YSZ、Ni的热物性能参数和力学性能参数。
3、施加热源载荷并求解温度场；采用高斯面热源作为热源模型，其表达式如公式2所示：
式中q(r)为热流密度、R光斑直径、η、k、p分别表示材料对激光的吸收率也是激光作用在材料表面的能量吸收率、集中系数、激光功率；由于在模型实际求解中存在误差加入热源修正系数，热源模型修改为：
式中K’热源修正系数；
求解温度场，在ANSYS命令流编写中通过IF、DO循环语句来实现连续小间距跳跃移动加载；在模拟过程中系统会自动判断节点到光斑中心点的距离r是否在R内，如果节点不在光斑内则热流密度q＝0，如果节点在光斑内则按照前面设定的高斯热源进行加载；
4、热应力耦合求解应力场；采用间接耦合，将温度场的结果作为加载条件，求解应力场；在进行应力场分析时要进行单元的转化，在APDL参数化语言中使用命令ETCHG,TTS完成单元类型转化，将热分析单元转换成结构单元，即将solid70转换成solid45；
边界条件主要是对称约束；建模时考虑到模型对称，只选取试样一半进行建模，对称面处采用DA，*，SYMM实现平面对称约束；
调整收敛准则，进行热应力耦合时，由温度场转变到应力场求解，收敛准则也会发生改变；采用的熔覆粉末含有纯的YSZ，温度场求解时会出现很大的温度梯度，在载荷步求解时可能不收敛，通过CUTCONTROL，PLSLIMIT放宽收敛阀值；
大变形假设，材料的熔化、凝固时，会出现大应变、大变形的情况；因此通过NLGEOM,ON命令打开大应变效应选项。
5、读取应力场模拟计算结果。
本发明的优点是：本发明提供了一种通过ANSYS热应力耦合模拟激光熔覆YSZ@Ni制备YSZ涂层应力场的方法。通过模拟研究应力场的变化规律，有利于探索激光熔覆制备以及使用YSZ热障涂层中裂纹形成的机理及影响因素，这对控制熔覆层裂纹产生具有重要的现实意义和理论指导价值。
附图说明
在激光功率P＝1000W，扫描速度V＝360mm/min，光斑直径d＝3mm进行数值模拟并读取应力场的模拟结果，其部分模拟结果如下所示：
图1为本发明的预置粉末激光熔覆几何模型图。
图2为在熔覆层部分采用较细的网格划分，在远离熔覆层的部分采用较粗的网格划分，网格划分结果图。
图3为节点在光斑内则按照设定的高斯热源进行加载判断条件示意图。
图4为激光到达中点位置t＝5.1s时激光熔覆YSZ@Ni纳米核壳粒子熔覆层上表面的等效应力应力分布云图。
图5为激光扫描结束冷却20S时激光熔覆YSZ@Ni纳米核壳粒子熔覆层上表面的等效应力分布云图。
图6描述了激光熔覆YSZ@Ni纳米核壳粒子，当激光到达试样中点(t＝5.1S)试样中心线上的三向应力分布曲线。
图7描述了激光熔覆YSZ@Ni当激光离开中点位置时，试样中心线上的三向应力分布情况。
具体实施方式
本发明采用的技术方案如下：一种激光熔覆纳米YSZ@Ni制备YSZ热障涂层应力场模拟方法，其特征在于方法步骤如下：
(1)在ANSYS中创建实体模型；具体为：其中基体材料为GH4169，熔覆材料为YSZ@Ni纳米核壳粒子粉末，
使用APDL参数话语言编写命令流，建模时直接采用BLOCK语句生成几何实体模型。为节约运算时间去熔覆模型的一半进行建模，所构建几何模型如图1所示，基体部分尺寸为60mm*15mm*5mm，预置熔覆层厚0.3mm。
在APDL参数话语言中使用命令语句ET设定单元类型。选择八面体solid70热分析单元。但是只能在面上施加一种载荷，由于激光熔覆除了施加的热流外，还存在对流换热边界条件，如果只设定solid70一种单元类型，后期施加的载荷就会覆盖前面施加的载荷，影响分析的准确性。对于这种情况，ANSYS中一般会用表面效应单元来解决。所以对于所涉及的对流换热边界条件用表面效应单元surf152来施加，
1、定义材料属性并进行网格划分；
YSZ@Ni核壳粒子是通过化学镀法制备的：将配置好的YSZ悬液加入到配备好的NiCl2溶液中，再向其中加入水合肼充分混合均匀，放在恒温水浴中机械搅拌充分反应，此时镀液中各成分浓度为CNi＝0.12mol/L，CYSZ＝0.007mol/L，假设溶液反应完全计算可得YSZ@Ni核壳粒子中质量分数为WYSZ＝11.59％，WNi＝88.41％。对于YSZ@Ni纳米核壳粒子的性能参数，通过求各成分性能参数的算数平均值获得，具体计算参照公式
AYSZ@Ni＝0.8841ANi+0.1159AYSZ (1)
式中，AYSZ@Ni、ANi、AYSZ分别表示YSZ@Ni、YSZ、Ni的热物性能参数和力学性能参数。
采用四面体映射网格划分，为了提高计算效率，在熔覆层部分采用较细的网格划分，在远离熔覆层的部分采用较粗的网格划分，网格划分结果见图2。
3、施加热源载荷并求解温度场；
本发明采用高斯面热源作为热源模型，其表达式如公式2所示：
式中q(r)为热流密度、R光斑直径、η、k、p分别表示材料对激光的吸收率也是激光作用在材料表面的能量吸收率、集中系数、激光功率。由于在模型实际求解中存在误差加入热源修正系数，热源模型修改为：
式中K’热源修正系数。
求解温度场，在ANSYS命令流编写中通过IF、DO循环语句来实现连续小间距跳跃移动加载。在模拟过程中系统会自动判断节点到光斑中心点的距离r是否在R内，如果节点不在光斑内则热流密度q＝0，如果节点在光斑内则按照前面设定的高斯热源进行加载。其示意图如图3所示：
4、热应力耦合求解应力场；
采用的单项间接耦合，将温度场的结果作为加载条件，求解应力场。在进行应力场分析时要进行单元的转化，。在APDL参数化语言中使用命令ETCHG,TTS完成单元类型转化，将热分析单元转换成结构单元，即将solid70转换成solid45。
边界条件主要是对称约束。建模时考虑到模型对称，只选取试样一半进行建模，对称面处采用DA，*，SYMM实现平面对称约束。
调整收敛准则，进行热应力耦合时，由温度场转变到应力场求解，收敛准则也会发生改变。本章采用的熔覆粉末含有纯的YSZ，温度场求解时会出现很大的温度梯度，在载荷步求解时可能不收敛，通过CUTCONTROL，PLSLIMIT放宽收敛阀值。
大变形假设，材料的熔化、凝固时，会出现大应变、大变形的情况。因此通过NLGEOM,ON命令打开大应变效应选项。
5、读取应力场模拟计算结果。
在激光功率P＝1000W，扫描速度V＝360mm/min，光斑直径d＝3mm进行数值模拟并读取应力场的模拟结果，其部分模拟结果如下所示：
图4为激光到达中点位置t＝5.1s时激光熔覆YSZ@Ni纳米核壳粒子熔覆层上表面的等效应力应力分布云图。
图5为激光扫描结束冷却20S时激光熔覆YSZ@Ni纳米核壳粒子熔覆层上表面的等效应力分布云图。
图6描述了激光熔覆YSZ@Ni纳米核壳粒子，当激光到达试样中点(t＝5.1S)试样中心线上的三向应力分布曲线。
图7描述了激光熔覆YSZ@Ni当激光离开中点位置时，试样中心线上的三向应力分布情况。
本发明提供了一种通过ANSYS热应力耦合模拟激光熔覆YSZ@Ni制备YSZ涂层应力场的方法。通过模拟研究应力场的变化规律，有利于探索激光熔覆制备以及使用YSZ热障涂层中裂纹形成的机理及影响因素，这对控制熔覆层裂纹产生具有重要的现实意义和理论指导价值。

Claims (1)

1.一种激光熔覆纳米YSZ@Ni制备YSZ热障涂层应力场模拟方法，其特征在于方法步骤如下：
(1)在ANSYS中创建实体模型；具体为：其中基体材料为GH4169，熔覆材料为YSZ@Ni纳米核壳粒子粉末，使用APDL参数话语言编写命令流，建模时直接采用BLOCK语句生成几何实体模型；
(2)定义材料属性并进行网格划分；
YSZ@Ni核壳粒子是通过化学镀法制备的，将配置好的YSZ悬液加入到配备好的NiCl2溶液中，再向其中加入水合肼充分混合均匀，放在恒温水浴中机械搅拌充分反应；此时镀液中各成分浓度为CNi＝0.12mol/L，CYSZ＝0.007mol/L，假设溶液反应完全计算可得YSZ@Ni核壳粒子中质量分数为WYSZ＝11.59％，WNi＝88.41％；对于YSZ@Ni纳米核壳粒子的性能参数，通过求各成分性能参数的算数平均值获得，具体计算参照公式
AYSZ@Ni＝0.8841ANi+0.1159AYSZ (1)
式中AYSZ@Ni、ANi、AYSZ分别表示YSZ@Ni、YSZ、Ni的热物性能参数和力学性能参数；
(3)施加热源载荷并求解温度场；采用高斯面热源作为热源模型，其表达式如公式2所示：
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式中q(r)为热流密度、R光斑直径、η、k、p分别表示材料对激光的吸收率也是激光作用在材料表面的能量吸收率、集中系数、激光功率；由于在模型实际求解中存在误差加入热源修正系数，热源模型修改为：
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式中K’热源修正系数；
求解温度场，在ANSYS命令流编写中通过IF、DO循环语句来实现连续小间距跳跃移动加载；在模拟过程中系统会自动判断节点到光斑中心点的距离r是否在R内，如果节点不在光斑内则热流密度q＝0，如果节点在光斑内则按照前面设定的高斯热源进行加载；
(4)热应力耦合求解应力场；采用间接耦合，将温度场的结果作为加载条件，求解应力场；在进行应力场分析时要进行单元的转化，在APDL参数化语言中使用命令ETCHG,TTS完成单元类型转化，将热分析单元转换成结构单元，即将solid70转换成solid45；
边界条件主要是对称约束；建模时考虑到模型对称，只选取试样一半进行建模，对称面处采用DA，*，SYMM实现平面对称约束；
调整收敛准则，进行热应力耦合时，由温度场转变到应力场求解，收敛准则也会发生改变；采用的熔覆粉末含有纯的YSZ，温度场求解时会出现很大的温度梯度，在载荷步求解时可能不收敛，通过CUTCONTROL，PLSLIMIT放宽收敛阀值；
大变形假设，材料的熔化、凝固时，会出现大应变、大变形的情况；因此通过NLGEOM,ON命令打开大应变效应选项。
(5)读取应力场模拟计算结果。
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