第35卷第11期 2014年11月
焊接学报
TRANSACTIONS OFTHE CHINA WELDING INSTITUTION 热障涂层高温TGO生长变化
韩志勇，王晓梅，王志平
（中国民航大学天津市民用航空器适航与维修重点实验室，天津300300）
Vol.35No.11 November2014
摘要：通过Ahaqus有限元分析软件对热障涂层在高温氧化过程中的热氧化物层（themallygrowthoxide，TGO）生长机制进行研究.结果表明，当高温氧化到100h时，TG0厚度由初始的0.5μm生长至6.7μm且在不同位置TG0 的厚度略微不同。随若高温时间的增加，热障涂层在TGO的波峰、波谷以及涂层边界处容易出现应力较大值，且和周围材料相比应力明显较大，此时，这些位置容易达到材料开裂临界应力，形成裂纹萌生点，使得涂层失效。在高温氧化过程中，涂层吸收总能量为43.6J.其中少部分转化为涂层变形所消耗的能量，剩下的能量为高温氧化过程中
涂层成分改变，微观组织改变以及裂纹萌生扩展提供能量。关键词：热障涂层；热氧化物；Ahaqus有限元软件
中图分类号：TG172.6 0序言
文献标识码：A
文章编号：0253360X(2014)11000504
制"为主,且在经过122h后新形成的TGO氧化物也主要以Al2Q为主，
热障涂层是将耐高温、抗腐蚀、高隔热的陶瓷材
料通过物理或化学方法沉积在基体合金表面，以提高基体合金抗高温氧化腐蚀能力，降低合金表面工作温度1-41，对于等离子喷涂的热障涂层，影响涂层热循环寿命的因素包括15-9]：表面陶瓷层与金属基底之间的热膨胀不匹配、陶瓷层发生相变黏结层发生氧化和腐蚀、金属基底的粗糙度以及陶瓷层的烧结等热障涂层最主要的失效原因为TGO的生成[10,1]．热生长氧化物层厚度增长会产生微缺陷，其在低界面粗糙度的情况下产生的影响尤为明显氧化过程中，TGO经历平面内压缩变形，其压缩变形程度在冷却过程中增强。变形强度和相应的应变能密度被自身的伸长和平面外的位移变形减弱，导致陶瓷涂层屈曲和粘结层的粘塑性变形，产生垂直于涂层界面的拉应力及缺陷[12]
刘文开！13]对热障涂层高温氧化后发现陶瓷层和粘结层之间的氧化物生成主要分为三个阶段，初期主要是A10，和其它元素的尖晶有氧化物共同存在；稳定氧化阶段主要为AlO；的选择性氧化；复杂氧化阶段由于出现贫铝现象使得尖晶数量增加韩玉君14对热障涂层在000℃高温下进行不同时间的烧结后发现，长期的高温氧化使得热障涂层中的氧扩散由空穴扩散转变为“陶瓷层晶格氧扩散机
收稿日期：2013-07-05
基金项目：国家自然科学基金项目（U1333107）
文中通过Abaqus有限元软件，对高温氧化过程中的TGO生长进行初步模拟探索，观察TGO生长以及生长过程对涂层应力分布，能量变化的影响，从而帮助理解实际过程中TGO生长机制，为热障涂层高温过程研究奠定理论基础
1热障涂层结构 1.1涂层结构
现在应用最为广泛的为双层结构的热障涂层，由陶瓷层（topcoating，TC）和粘结层（bondcoating BC）组成．文中陶瓷层（8%Y,O，的ZrO2，质量分数）厚度为250μm，粘结层（Ni-22Cr-10AlHY）厚度为100μm以及初始TG0（主要为AlzO；）厚度为0.5 um.由于涂层的厚度相对基体很小，因此计算模型只取粘接层，TGO层和陶瓷层，如图1所示
文中计算研究热障涂层在持续的高温氧化过程中TGO厚度变化以及高温氧化处理后涂层内的残余应力分布.设定涂层初始为室温25℃，升温至 1000℃高温氧化3.6×10°s.在整个计算过程中的涂层周围空间中的温度分布是均勾的：计算过程中采用非线性计算，因此重点考虑涂层材料的物性参数随温度场的变化[10]，忽略涂层制备过程产生的残余应力的影响以及此过程中的蠕变，残余应力的分布与过程无关，所以计算过程只考虑25℃和 1000℃这两个初末状态，