CN112861390A - 一种热障涂层界面开裂预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种热障涂层界面开裂预测方法，包括以下步骤：步骤S1:构建热障涂层二维几何模型；步骤S2:划分网格，并在TGO/TC与TGO/BC界面插入内聚力单元；步骤S3:分别对TC层、TGO层、BC层以及SUB层设置各层参数，给TGO/TC与TGO/BC界面内聚力单元添加损伤参数；步骤S4:装配热障涂层二维几何模型，并设置粘性分析步一个热循环载荷时间为T；步骤S5:在热障涂层二维几何模型左侧施加对称边界条件,右侧施加周期性边界条件MPC多点耦合约束条件，底部约束y方向自由度；步骤S6:通过自定义振幅曲线施加分析步热循环载荷；步骤S7:循环步骤S6完成预设次数的热载荷循环，得到热障涂层二维几何模型的开裂预测结果。本发明能够有效预测热障涂层界面裂纹形核位置与扩展情况。
Description
技术领域
本发明涉及隔热防护涂层领域，具体涉及一种热障涂层界面开裂预测方法。
背景技术
燃气轮机是现代航空工业的重要支柱，是国家重大装备制造水平的标志。热障涂层技术是发展先进重型燃气轮机的核心技术之一，它在轮机基体表面覆盖一层具有低热导率、高稳定性的隔热材料，不仅具有热障效果，而且还能防止氧化、腐蚀以及外来物冲蚀等对叶片造成的损伤。目前，F级重型燃气轮机的燃气温度已达到1400℃，未来重型燃气轮机的燃气温度将超过1700℃。极端高温的工作环境下，加剧了热障涂层的失效破坏，极大缩短了燃气轮机的安全服役寿命，所以研究热障涂层的失效机理对提高燃气轮机的安全性具有重要意义。
经典的热障涂层系统(TBCs)是在镍基超合金基底(SUB)上覆盖一层顶部陶瓷层(TC)，在中间有一层金属粘结层(BC)，粘接层不仅使得陶瓷层能牢固附着在基底上，而且能够降低由于陶瓷层和基底的热膨胀系数失配产生的失配应力。通常陶瓷层的主要材料为氧化钇部分稳定氧化锆(YSZ)，粘结层为MCrAlY(M代表Ni或Co或Co+Ni)。初期，在高温服役条件下，由于元素扩散，在陶瓷层与粘结层界面之间，粘结层的Al与陶瓷层的O结合而生成一层很薄的热生长氧化物(TGO)，其主要成分为Al2O3。TGO的形成阻止粘结层氧化的进一步发生，在一定程度上减缓了粘结层氧化速率，但随着服役时间的增加，TGO中致密的为Al2O3与镍、铬的氧化物发生反应，生成了尖晶石等氧化物。为Al2O3的耗尽将极大提高粘结层氧化速率，为Al2O3的慢速生长转变为尖晶石的快速增长导致TGO层产生巨大的应力，同时TGO层内部出现大量孔洞和微裂纹。随着微裂纹的不断萌生、扩展，最终导致大量裂纹贯穿，形成涂层大范围屈曲、剥落。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种热障涂层界面开裂预测方法，能够有效预测热障涂层界面裂纹形核位置与扩展情况。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种热障涂层界面开裂预测方法，包括以下步骤：
步骤S1:构建热障涂层二维几何模型，模型包括陶瓷层TC、氧化层TGO、粘结层BC、和镍基合金基底SUB；
步骤S2:划分网格，并在TGO/TC与TGO/BC界面插入内聚力单元；
步骤S3:分别对TC层、TGO层、BC层以及SUB层设置各层的杨氏模量、泊松比、热膨胀系数、蠕变参数，给TGO/TC与TGO/BC界面内聚力单元添加损伤参数；
步骤S4:装配热障涂层二维几何模型，并设置粘性分析步一个热循环载荷时间为T；
步骤S5:在热障涂层二维几何模型左侧施加对称边界条件,右侧施加周期性边界条件MPC多点耦合约束条件，底部约束y方向自由度；
步骤S6:设置初始温度为C，通过自定义振幅曲线施加分析步热循环载荷；
步骤S7:循环步骤S6完成预设次数的热载荷循环，得到热障涂层二维几何模型的开裂预测结果。
进一步的，所述TGO层两侧界面采用正弦曲线进行剖分。
进一步的，所述内聚力单元类型为COH2D4。
进一步的，所述内聚力单元基于牵引分离损伤定律，内聚力单元损伤初始准则为二次名义应力准则，损伤演化按照BK准则。
进一步的，所述损伤演化具体为:
其中
式中：T是牵引力，δ是分离位移，D是损伤因子，K是线弹性阶段的刚度，n，s，t代表垂直、平行、剪切方向，0和f代表损伤开始与结束，max表示当前阶段的最大位移。
进一步的，所述步骤S6具体为：设置初始温度为25℃，通经过100s加热到1200℃，保温7200s后经过100s降温至25℃。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明能够有效预测热障涂层界面裂纹形核位置与扩展情况。
附图说明
图1是本发明实施例中的二维热障涂层简化模型图；
图2是本发明实施例中的内聚力单元牵引分离损伤定律图；
图3是本发明实施例中的单个热循环热障涂层界面开裂图；
图4是本发明实施例中的30个热循环热障涂层界面开裂图；
图5是本发明实施例中的TGO/TC界面损伤程度图；
图6是本发明实施例中的TGO/BC界面损伤程度图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
本发明提供一种热障涂层界面开裂预测方法，包括以下步骤：
步骤S1:构建热障涂层二维几何模型，模型包括陶瓷层TC、氧化层TGO、粘结层BC、和镍基合金基底SUB；
在本实施例中，如图1所示，使用ABAQUS软件建立二维热障涂层系统TBCs几何模型，TBCs模型包括了陶瓷层TC、氧化层TGO、粘结层BC、和镍基合金基底SUB，为了表征涂层内部界面凹凸不平的形貌，TGO层两侧界面采用正弦曲线进行剖分。
步骤S2:对建立的模型进行划分网格，在TGO/TC与TGO/BC界面插入内聚力单元，设置单元类型为平面应变单元CPE4R，内聚力单元类型为COH2D4
步骤S3:分别对TC层、TGO层、BC层以及SUB层设置各层的杨氏模量、泊松比、热膨胀系数、蠕变参数以及给TGO/TC与TGO/BC界面内聚力单元添加损伤参数如表1～6所示，其中内聚力单元基于牵引分离损伤定律如图2所示，内聚力单元损伤初始准则为二次名义应力准则，损伤演化按照BK准则；
表1陶瓷层的热膨胀系数、杨氏模量和泊松比参数
表2氧化层的热膨胀系数、杨氏模量和泊松比参数
表3粘结层的热膨胀系数、杨氏模量和泊松比参数
表4基底层的热膨胀系数、杨氏模量和泊松比参数
表5内聚力单元牵引-分离材料参数
表6蠕变参数
步骤S4:装配模型，并设置粘性分析步一个热循环载荷时间为T；
步骤S5:模型左侧施加对称边界条件，用来表征TGO界面的对称性，在模型右侧施加周期性边界条件MPC多点耦合约束条件，保证模型右侧在x方向位移保持一致。在模型底部约束y方向自由度，模拟实际涡轮叶片对涂层的约束；
步骤S6:通过预定义场对模型施加热循环载荷，热循环载荷初始温度为25℃经过100s加热到1200℃，保温7200s后经过100s降温至25℃；
步骤S7:创建工作并添加按照抛物线模型增长的TGO氧化生长子程序路径，并输出inp文件，在工作目录中找到相应的inp文件，复制并修改“Step”之后的inp文件代码实现多次热载荷循环，最后以inp文件作为模型创建工作并计算分析，在后处理模块通过损伤因子SDEG表征界面裂纹的形核位置与扩展情况如图3～6所示。
在本实施例中，在图3中，热障涂层经过单个热循环后界面开裂位置出现在TGO/TC界面波谷处以及TGO/BC界面波峰处。在图4中，热障涂层经过30个热循环后界面开裂沿界面扩展，界面裂纹开口距离增大。在图5中，损伤因子SDEG为判断界面内聚力单元损伤程度的指标，当SDEG为1时界面内聚力单元完全损伤，内聚力单元删除表示界面裂纹的形核与扩展，因此在图5中可以看出TGO/TC界面在经过1次热循环后开裂较严重，但经过30次热循环后界面裂纹没有较大的扩展。在图6中，TGO/BC界面在经过1次热循环后在界面波峰处开裂，经过30次热循环后界面裂纹将会有较大的扩展。
进一步的，建立热障涂层寿命预测模型，具体的:首先在ABAQUS软件part模块中创建二维部件TBCs，通过剖分功能划分出TC层、TGO层、BC层以及SUB层；在装配模块中形成装配体TBCs；在网格划分模块中划分网格并在TGO/TC、TGO/BC界面插入内聚力单元；在属性模块中添加各层材料参数；在载荷模块中给模型左边界施加对称边界条件，在模型右边界施加MPC周期边界条件，通过预定义场施加热循环载荷；在分析模块中设置隐式分析步中的粘性分析步；在工作模块中添加TGO氧化生长子程序路径并提交工作文件计算。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (6)
1.一种热障涂层界面开裂预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1:构建热障涂层二维几何模型，模型包括陶瓷层TC、氧化层TGO、粘结层BC、和镍基合金基底SUB；
步骤S2:划分网格，并在TGO/TC与TGO/BC界面插入内聚力单元；
步骤S3:分别对TC层、TGO层、BC层以及SUB层设置各层的杨氏模量、泊松比、热膨胀系数、蠕变参数，给TGO/TC与TGO/BC界面内聚力单元添加损伤参数；
步骤S4:装配热障涂层二维几何模型，并设置粘性分析步一个热循环载荷时间为T；
步骤S5:在热障涂层二维几何模型左侧施加对称边界条件,右侧施加周期性边界条件MPC多点耦合约束条件，底部约束y方向自由度；
步骤S6:设置初始温度为C，通过自定义振幅曲线施加分析步热循环载荷；
步骤S7:循环步骤S6成预设次数的热载荷循环，得到热障涂层二维几何模型的开裂预测结果。
2.根据权利要求1所述的一种热障涂层界面开裂预测方法，其特征在于，所述TGO层两侧界面采用正弦曲线进行剖分。
3.根据权利要求1所述的一种热障涂层界面开裂预测方法，其特征在于，所述内聚力单元类型为COH2D4。
4.根据权利要求1所述的一种热障涂层界面开裂预测方法，其特征在于，所述内聚力单元基于牵引分离损伤定律，内聚力单元损伤初始准则为二次名义应力准则，损伤演化按照BK准则。
5.根据权利要求4所述的一种热障涂层界面开裂预测方法，其特征在于，所述损伤演化具体为:
其中
式中：T是牵引力，δ是分离位移，D是损伤因子，K是线弹性阶段的刚度，n，s，t代表垂直、平行、剪切方向，0和f代表损伤开始与结束，max表示当前阶段的最大位移。
6.根据权利要求1所述的一种热障涂层界面开裂预测方法，其特征在于，所述步骤S6具体为：设置初始温度为25℃，通经过100s加热到1200℃，保温7200s后经过100s降温至25℃。
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