热喷涂3D打印制备孤立纳米YSZ厚热障涂层的内应力演化特性的模拟计算研究

论文摘要

孤立厚涂层通常被用来测试涂层的热物理性能,如热膨胀系数、热扩散系数、比热容等.不同形状的孤立厚陶瓷涂层通常通过在不同形状的石墨模具上采用等离子体喷涂增材制造的方法制备.采用有限元"生死单元"模拟技术对3D打印增材制造过程中的纳米结构YSZ热障涂层的残余应力进行了有限元模拟.考虑了方形、圆柱形、六棱柱及星柱形四种结构的石墨模具,系统计算并比较了四种石墨模具制备的厚涂层的应力分布特征.研究结果表明:在厚涂层的侧面存在较大的压应力集中,最大压应力往往分布在柱的边角或边缘处.对于热喷涂3D打印圆柱状厚涂层,压应力连续分布在厚涂层侧面的环形面上.对于四种类型的厚涂层,热喷涂3D打印圆柱状厚涂层在x,y,z三个方向上最大压应力值最小,分别为-19.574MPa,-19.565MPa和-56.569MPa.且x,y,z三个方向上应力梯度变化最小(分别为0.169MPa/mm,0.173MPa/mm,0.0218×10-3MPa/mm),而星柱型厚涂层x,y,z三个方向上应力变化梯度最大（分别为2.344MPa/mm,14.092MPa/mm,2.171MPa/mm）.涂层的应力随着涂层厚度的增大而增大,且纳米结构涂层的应力低于传统结构涂层的应力.通过应力状态及应力大小的调控,将会促进YSZ涂层的铁弹性相变,进一步提高涂层的断裂韧性,从而有望进一步提高涂层的抗热震性能.

论文目录

• 1 计算过程
•   1.1 模拟假设、初始条件和边界条件
•   1.2 有限元网格
•   1.3 初始及边界条件
• 2 结果与讨论
•   2.1 热喷涂3D打印四种不同形状厚涂层应力分布特征
•   2.2 涂层厚度对涂层残余应力的影响规律
•   2.3 层合板理论计算涂层的残余应力
•   2.4 应力诱导铁弹性相变提高涂层断裂韧性
• 3 结论

文章来源

类型: 期刊论文

作者: 王亮,庄铭翔,胡忠超,袁建辉,杨勇

关键词: 有限元,生死单元,热喷涂打印,残余应力,层合板

来源: 湘潭大学学报(自然科学版) 2019年06期

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 金属学及金属工艺

单位: 中国科学院上海硅酸盐研究所集成计算材料研究中心,上海工程技术大学材料工程学院,河北工业大学材料科学与工程学院

基金: 国家自然科学基金面上基金项目(51671208),国家自然科学基金NSAF联合基金项目(U1730139)

分类号: TG174.4

DOI: 10.13715/j.cnki.nsjxu.2019.06.004

页码: 35-51

总页数: 17

文件大小: 2515K

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