熱障涂層是航空發(fā)動機熱端部件的主要熱防護結構,其在使用和維修過程中難免會遭受到顆粒物的低速沖擊,低速沖擊對涂層造成的損傷多發(fā)生在內(nèi)部不易直接從外部觀測。因此,深入研究低速沖擊對熱障涂層造成損傷形式具有重要意義。先進的熱障涂層多為功能梯度結構,即從底面金屬粘結層到表面陶瓷層之間設置了金屬含量逐漸減少、陶瓷含量逐漸增加的梯度層。針對功能梯度熱障涂層含有的陶瓷、金屬和粘結材料分別使用脆性開裂準則、Johnson Cook準則和內(nèi)聚力模型來描述材料受到低速沖擊的損傷形式。利用有限元軟件ABAQUS分別建立了不考慮和考慮材料損傷形式的兩種沖擊模型,在不考慮材料損傷形式的模型中,討論了剛性球不同沖擊方式和涂層力學特征變化對涂層受力與形變的影響;在考慮材料損傷形式的模型中,總結出涂層中陶瓷、金屬和粘結材料各自的損傷形式。本文對不同厚度位置的粘結層其損傷特征規(guī)律進行了創(chuàng)新性研究,同時探究了剛性球不同沖擊密度和沖擊間隔對材料損傷程度和損傷分布規(guī)律的影響。研究結果表明:涂層受到的沖擊力和產(chǎn)生的形變主要與剛性球的法向動能有關,球體半徑、沖擊速度和沖擊角度是直接影響法向動能的因素,剛性球沖擊位置、涂層梯度指數(shù)... 

【文章來源】：中國民航大學天津市

【文章頁數(shù)】：67 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

熱障涂

中國民航大學碩士學位論文8高的機械強度。2.1.2梯度熱障涂層的結構陶瓷材料通常具有熔點高、熱導率低的特點，金屬材料則相對熔點較低、熱導率較高，兩種材料組合時熱性能的巨大差異造成在結合面處產(chǎn)生應力集中的現(xiàn)象，降低陶瓷層與金屬基體的結合強度進而導致出現(xiàn)開裂、脫落等情況。為避免界面出現(xiàn)結合不良的現(xiàn)象，依據(jù)功能梯度材料的概念，可將陶瓷/金屬熱障涂層設計為梯度結構。涂層上表面使用耐熱陶瓷材料，下底面使用硬質金屬材料，從上到下的中間層則采用陶瓷材料體積分數(shù)逐漸減小，金屬材料體積分數(shù)逐漸升高的梯度結構，實際應用中通常將中間層設計為多層結構，如圖2-2所示。圖2-2梯度結構熱障涂層示意圖2.1.3梯度熱障涂層的材料參數(shù)模型梯度結構的任意一層中，金屬材料和陶瓷材料體積份數(shù)f的關系有冪函數(shù)和多項式函數(shù)兩種表達形式，由于冪函數(shù)形式表達方式更加靈活被廣泛使用，具體形式為[49]：nzf)1(1(2.1)nzf2(2.2)下標1代表任意一層中的陶瓷材料，下標2則代表該層中的金屬材料。n是冪指數(shù)，通過調(diào)整冪指數(shù)可改變某一層中陶瓷與金屬材料的體積份數(shù)比例從而改變整體梯度結構材料分布規(guī)律。z是無量綱系數(shù)，其數(shù)值大小通常與某一層在厚度方向上的坐標呈正相關，且10z，下極限z=0處是純金屬層，上極限z=1處是純陶瓷層。

中國民航大學碩士學位論文11圖2-3熱障涂層受力與變形示意圖熱障涂層上表面與球沖擊接觸區(qū)的半徑為a，忽略球狀顆粒的損傷并將其視為剛性球，因為mp>mb，Eb>Ep，因此有：bpbmmmm1111(2.8))1()1("22pbbppbEEEEE(2.9)式中，mb——剛性球質量；b——剛性球泊松比；Eb——剛性球彈性模量；mp——熱障涂層質量；p——涂層的泊松比；Ep——熱障涂層彈性模量。根據(jù)彈性動力學理論[56]，熱障涂層沖擊接觸區(qū)的法向變形方程：5.122)(nbnmkdtd(2.10))1(3422/1ppERk(2.11)式中，t——沖擊接觸時間。涂層表面的法向變形初始條件n0：)sin(0pbnuv(2.12)式中，vb——剛性球沖擊速度；

【參考文獻】：
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本文編號：3228003