服役温度下(Gd0.9Yb0.1)2Zr2O7涂层弯曲性能原位表征及有限元模拟分析

论文摘要

热障涂层因其优异的隔热性能和抗高温氧化性能已广泛应用在先进航空发动机的热端部件。如今国内外研究人员致力于发展满足>1200°C的新型高温涂层（如稀土掺杂氧化锆和稀土锆酸盐等）。然而,由于涂层的高温失效与其力学性能的演变息息相关。因此,评价和表征服役环境下新型热障涂层材料高温力学性能对改进涂层材料配方、结构设计和制备工艺显得尤为关键。目前,缺少系统性地对(Gd0.9Yb0.1)2Zr2O7（GYbZ）涂层体系高温力学性能的表征和断裂破坏的失效机理分析。本文首先采用等离子喷涂工艺,制备新型GYbZ涂层;然后运用纳米压痕技术表征涂层的弹性模量和硬度;其次,采用三点弯曲和单边切口梁法研究了服役温度范围内GYbZ涂层的力学性能,分析其演变规律和失效机理;最后,基于工业CT技术获取GYbZ涂层内部微观结构,建立含有缺陷的有限元网格模型,研究微缺陷对涂层材料力学性能的影响。工作内容如下:第一,采用纳米压痕技术和三点弯曲实验分别表征GYbZ涂层的弹性模量、硬度和断裂强度。结果表明:涂层横截面处的弹性模量和硬度均大于其表面部位。常温弯曲模量为4±0.19 GPa,在1200°C时增大到9.5±2.9 GPa,然后在1500°C时降至3.0±0.92 GPa;常温断裂强度为12±0.52 MPa,在1200°C时达到最大。结果表明:涂层弯曲模量和断裂强度随测试温度升高先增大后减小,失效应变持续增加,在1500°C时达到1.22±0.22%。第二,基于数字图像相关技术,采用单边切口梁和扩展有限元方法分别表征GYbZ涂层在服役温度范围内的断裂韧性和应变能释放率。结果表明:GYbZ涂层常温断裂韧性为0.8±0.025 MPa′m1/2,在1400°C时达到1.9±0.17 MPa′m1/2,然后在1500°C时降至1.21±0.21 MPa′m1/2。同时,扩展有限元计算结果表明:GYbZ涂层在室温下的应变能释放率为157 N/m,在1400°C时达到420 N/m,然后在1500°C时降至345 N/m。第三,基于工业CT技术对GYbZ涂层试样的内部微观结构进行断层扫描,研究微缺陷对涂层的力学性能影响。将扫描图片通过灰度化、二值化和分割等图像处理步骤之后,提取涂层的内部微观缺陷,几何重构含有缺陷的有限元网格模型。采用脆性开裂准则模拟GYbZ涂层的断裂破坏,评估涂层的开裂应变为0.36±0.03%。这与实验结果分析获得的数据吻合良好,从而也证明了几何重构方法的可行性和可靠性。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 热障涂层概述
•     1.2.1 热障涂层的研究与发展现状
•     1.2.2 热障涂层的制备方法
•     1.2.3 热障涂层的高温失效
•   1.3 热障涂层的检测技术与发展
•     1.3.1 热障涂层的失效检测
•     1.3.2 数字图像相关法的原理与研究现状
•     1.3.3 计算机断层扫描技术的发展与应用
•     1.3.4 有限元方法的发展与应用
•   1.4 本文选题依据和主要研究内容
• 第2章 GYbZ涂层高温弹性模量及断裂强度测试分析
•   2.1 弹性模量的测试方法
•   2.2 实验样品的制备
•     2.2.1 纳米压痕试样的制备
•     2.2.2 三点弯曲试样的制备
•   2.3 实验测试方案
•     2.3.1 纳米压痕测试过程
•     2.3.2 高温三点弯曲测试过程
•     2.3.3 力学性能计算公式
•   2.4 实验结果及分析
•     2.4.1 常温纳米压痕测试分析
•     2.4.2 高温涂层物相和微观结构分析
•     2.4.3 高温三点弯曲力学参数分析
•   2.5 本章小结
• 第3章 GYbZ涂层高温断裂韧性及断裂能测试分析
•   3.1 断裂韧性和断裂能测试原理
•   3.2 单边切口梁试样的制备
•   3.3 实验测试方案
•     3.3.1 单边切口梁测试过程
•     3.3.2 单边切口梁解析公式
•   3.4 扩展有限元分析
•   3.5 实验结果及分析
•     3.5.1 单边切口梁断口形貌
•     3.5.2 单边切口梁实验表征断裂韧性
•   3.6 扩展有限元评估能量释放率
•   3.7 本章小结
• 第4章 三维重构有限元模型研究GYbZ涂层断裂失效
•   4.1 Micro-CT与几何重构
•   4.2 实验过程及方法
•     4.2.1 GYbZ涂层制备
•     4.2.2 三点弯曲测试
•   4.3 含有缺陷的有限元模型重构
•     4.3.1 X射线计算机断层扫描
•     4.3.2 图像处理
•     4.3.3 三维几何重构
•   4.4 结果分析与讨论
•     4.4.1 GYbZ涂层表面形貌分析
•     4.4.2 GYbZ涂层弯曲断裂测试
•     4.4.3 GYbZ涂层开裂应变评估
•   4.5 本章小结
• 第5章 总结与展望
•   5.1 工作总结
•   5.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A:个人简历、攻读硕士学位期间发表的学术论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王玉杰

导师: 毛卫国

关键词: 涂层,高温弯曲,力学性能,扩展有限元法,三维几何重构

来源: 湘潭大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,工程科技Ⅱ辑

专业: 数学,金属学及金属工艺,工业通用技术及设备

单位: 湘潭大学

分类号: TG174.4;TB115

DOI: 10.27426/d.cnki.gxtdu.2019.001076

总页数: 73

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