孔隙結構對大氣等離子噴涂熱障涂層抗侵蝕性能影響的數值研究

邸娟,陳高飛,顏曉江,劉峰

(1.太原科技大學機械工程學院,030024,太原;2.西安交通大學能源與動力工程學院,710049,西安;3.太原理工大學機械與運載工程學院,030024,太原)

燃氣輪機渦輪葉片表面涂覆熱障涂層是提高其服役壽命的重要方法,通過在燃機渦輪葉片上使用熱障涂層(TBCs)技術,彌補了高溫合金許用工作溫度的不足,可提高渦輪進口溫度約100 ℃,在隔熱延壽、防黏結氧化以及防顆粒沖蝕等方面起到重要作用。微細固體顆粒沖擊熱障涂層表面產生的沖蝕損傷,目前已成為影響熱障涂層失效的第二大關鍵因素[1-7]。

大量的實驗觀察和測試結果表明,TBCs沖蝕損傷模式不僅受到沖蝕顆粒的尺寸、速度及沖蝕角的影響,還取決于涂層的力學性能及內部微觀結構。目前TBCs的制備工藝主要以大氣等離子噴涂和電子束物理氣相沉積工藝最為常用[8-13]。由于制備工藝的不同,兩種涂層在形成的微觀組織結構、抗沖蝕能力以及失效模式上都存在很大差異。

電子束物理氣相沉積(EB-PVD)熱障涂層的顯微組織呈相對規則的柱狀晶結構,其沖蝕機理和沖蝕失效機制已通過理論分析、實驗研究及數值求解等手段開展了較為深入的研究[4,14-18];而大氣等離子噴涂涂層的微觀結構近乎層狀,整個陶瓷層可以看成是含大量孔隙和微裂紋的疏松層狀單元疊加而成[19],其沖蝕失效主要表現為在粒子的沖擊作用下層狀單元的邊緣形成裂紋,并在持續沖擊下,導致裂紋擴展并沿著邊緣剝落,陶瓷層在沖擊過程中不產生明顯的致密區[20]。由于其復雜的涂層結構,關于其沖蝕性能的研究尚不深入,且主要是基于實驗測試和顯微觀測,其失效機理并不明確,還需進一步研究。此外,孔隙和裂紋等缺陷結構為等離子噴涂涂層的層狀單元提供了更多的剝落源,研究表明,孔洞及裂紋等缺陷結構的分布及組織形態對涂層沖蝕率、殘余應力分布有顯著影響[6,21-22]。

本文基于大氣等離子噴涂涂層的缺陷結構特征,建立含有圓形孔隙和真實微觀結構的涂層沖蝕模型,探索孔隙率、孔隙半徑等關鍵參數對沖蝕性能的影響,以期進一步探究大氣等離子噴涂熱障涂層的沖蝕特性。

1 孔隙涂層的數值模型

1.1 孔隙模型

大氣等離子噴涂法是將氧化釔部分穩定氧化鋯(ZrO2(7～8)Y2O3)粉末沉積在高溫合金表面形成的一層陶瓷涂層。所制得的熱障涂層的陶瓷層孔隙率f一般在4%到20%,且層內缺陷結構雜亂無章,不易于分析各種缺陷對陶瓷層沖蝕性能的影響情況。針對其結構特點,對陶瓷層內的缺陷做了合理簡化,剔除了存在的微裂紋,同時將孔隙簡化為圓形孔洞,并將圓形孔洞隨機分布。這種處理將陶瓷層內復雜的結構缺陷分離為孔隙率、孔隙大小、孔隙分布這樣的單一變量,隨后即可針對各個影響因素進行獨立研究,進而為制備工藝的改進提供參考。

通過程序編寫,完成隨機孔洞材料2D模型的建立。定義材料形狀、尺寸及圓形孔洞的尺寸、數量及分布范圍,并確保圓形孔洞間互不相交,由于程序中含有隨機函數,每次運行得到的模型的孔隙的分布情況都不一樣,值得注意的是,有時運行得到的數據模型的孔洞會分布在較邊緣的位置,常常在后續有限元計算中導致結果不收斂,為了后續仿真工作的順利進行,可通過多次運行調試得到孔洞分布較為理想的數據模型?？紫督Y構的一次運行結果如圖1所示。采用邊長為100 μm的正方形,孔隙半徑為0.1～1 μm,孔隙率f為5%。

圖1 孔隙結構的一次運行結果Fig.1 A program-execution result of pore structure

將得到的圓心位置坐標x、y及孔隙半徑rf等孔隙參數輸出到excel表中,使用Python腳本編寫程序,在Abaqus軟件中建立含隨機分布圓形孔隙的等離子噴涂涂層沖蝕模型,有限元模型流程如圖2所示。

圖2 含隨機孔隙結構有限元模型流程圖Fig.2 Flow chart of finite element model with random pore structure

1.2 陶瓷層性能參數

建立的涂層沖蝕模型中,陶瓷層內孔隙率f為5%,孔隙半徑rf在0.1～1 μm范圍內,材料相關參數的選取見表1[20,23]。沖蝕粒子直徑dp為20 μm,密度ρp為2 g·cm-3,沖蝕速度V0為200 m·s-1,并將顆粒定義為剛體。建立的二維含隨機孔洞的沖蝕有限元模型及網格如圖3所示。

表1 陶瓷層材料相關參數的選取Table 1 Parameters of the ceramic layer

(a)0.8 μm孔隙模型的孔隙率為5%

(b)孔隙半徑為0.1～1 μm時隨機分布孔隙的有限元網格圖3 二維含隨機孔洞的沖蝕有限元模型及網格 Fig.3 Two-dimensional erosion model with random pore structure (geometric model and grid)

本節采用可用于脆性材料的斷裂分析[24-25]的脆性斷裂準則模擬陶瓷層沖蝕失效。采用脆性斷裂準則需定義以下幾個特征參數:首先是給定材料的抗拉強度,也就是最大主拉應力破壞準則(第一強度理論),即判斷材料什么時候開始發生破壞;之后定義其開裂后的軟化特性,陶瓷層材料設置為GFI類型,即軟化規律主要通過開裂能量和破壞載荷的關系來確定;另外,還需定義材料發生開裂后開裂面的剪切性能,這里選取了指數形式,具體參數由實驗獲得[26];最后,通過設置脆性失效指定材料失效應變,將失效單元從模型中刪除,材料單向裂紋失效破壞應變參數取自實驗[26]。

以孔隙半徑為0.8 μm、孔隙率為5%的沖蝕模型為例進行網格獨立性考核。網格無關性驗證如圖4所示。為便于比較不同孔隙半徑及孔隙率下的沖蝕質量,定義了一個無量綱參數,即靶材的相對沖蝕質量,定義為平均沖蝕質量與靶材原始質量的比值,表達式為

(a)靶材相對沖蝕質量 (b)顆粒最大壓入深度圖4 網格無關性驗證Fig.4 Grid independence verification

(1)

圖4a和圖4b分別表示靶材相對沖蝕質量和顆粒最大壓入深度隨網格數的變化規律。由圖4可以看出,當模型網格數達到80 770,相對沖蝕質量及顆粒最大壓入深度隨網格數的變化基本可以忽略不計,本文最終選用網格數80 770,對應的最小網格尺度約為0.2 μm。

2 數值計算結果與分析

由于隨機函數控制模型中孔隙的分布情況,因此在孔隙率、孔隙尺寸相同的情況下,每次運行程序得到的陶瓷層模型的孔隙分布情況都各不相同。為消除其對沖蝕性能的影響,對每種沖蝕模型取多種孔隙分布情況進行求解計算,得到沖蝕質量平均值。

圖5給出了孔隙半徑為0.4 μm時兩種不同孔隙分布情況下的APS-TBCs沖蝕后形貌。圖6給出了各種孔隙半徑分布情況下的APS-TBCs裂紋萌生及擴展情況。

(a)孔隙分布1 (b)孔隙分布2圖5 孔隙半徑為0.4 μm時兩種孔隙分布情況下的APS-TBCs沖蝕后形貌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圖6 各種孔隙半徑情況下裂紋萌生及擴展情況Fig.6 Post-impact morphologies with crack initiation and propagation for various pore radius

圖7 涂層相對沖蝕質量隨沖蝕角的變化Fig.7 The relationship between erosive mass loss of coating and impact angle

以孔隙半徑0.8 μm、孔隙率5%為例,研究了沖蝕角對沖蝕性能的影響。圖7給出了涂層沖蝕質量隨沖蝕角的變化。由圖7可以看出其變化規律呈典型的脆性材料沖蝕特性[1]。涂層的沖蝕質量隨著沖蝕角的增加而增加,最大沖蝕質量在沖蝕角為90°碰撞下取得,這也對模型可靠性進行了一定的驗證。

(a)孔隙半徑0.1～1.0 μm隨機分布及孔隙半徑在0.2～1.0 μm內取定值

(b)孔隙半徑在0.2～5.0 μm內取定值圖8 靶材相對沖蝕質量隨孔隙半徑的變化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%圖9 APS-TBCs陶瓷層在各孔隙率下的沖蝕后形貌及裂紋萌生與擴展情況Fig.9 The eroded morphologies with crack initiation and propagation of APS-TBCs with different porosity

涂層相對沖蝕質量隨孔隙率的變化如圖10所示。由圖10可以看出,孔隙率在5%以下,沖蝕比較嚴重,且沖蝕質量波動性很強,孔隙處應力集中,裂紋擴展不易終結?？紫堵试?%～7%范圍內時,孔隙數多且分布密集,此時陶瓷層達到彌散狀態,具有很好的消除應力集中的作用,因而涂層具有較好的抗沖蝕性能。當涂層孔隙率在10%～20%范圍內進一步增加,沖蝕質量變化很小,基本呈穩定趨勢,且由于孔隙更加密集,也具有一定的消除應力集中的作用,因此裂紋萌生擴展后很快終結。

f/%圖10 涂層相對沖蝕質量隨孔隙率的變化Fig.10 Curve of erosive mass loss of coatings vs. porosity

3 結 論

本文基于理論分析和數值模擬,對燃機渦輪熱障涂層的抗沖蝕特性進行了初步研究,建立了熱障涂層沖蝕模型,并結合大氣等離子熱障涂層結構特點,分析了含隨機分布孔隙的大氣等離子熱障涂層的沖蝕性能。建立了含有圓形孔隙的大氣等離子熱障涂層模型,將孔隙半徑、孔隙率等陶瓷層內關鍵參數對沖蝕性能的影響進行了分析。結果表明:

(1)孔隙率f一定時,陶瓷層內的孔隙分布對沖蝕質量有著重要影響;

(2)孔隙率f一定、隙半徑為0.2 μm時,其抗沖蝕性能優于無孔隙結構的熱障涂層;

(3)當孔隙半徑為0.6～1.0 μm時,沖蝕質量較為穩定;當孔隙半徑超過1.0 μm后,沖蝕質量顯著增大;

(4)以孔隙半徑為0.8 μm為例,孔隙率小于5%,沖蝕比較嚴重,且沖蝕質量波動性很強?？紫堵试?%～7%范圍內,涂層具有較好的抗沖蝕性能。當涂層孔隙率在10%～20%范圍內,沖蝕基本呈穩定趨勢。