有限元軟件如何助力航空發動機耐磨涂層研發

2017-11-01 by:CAE仿真在線來源:互聯網

熱噴涂是指一系列過程,在這些過程中,細微而分散的金屬或非金屬的涂層材料,以一種熔化或半熔化狀態,沉積到一種經過制備的基體表面,形成某種噴涂沉積層。它是利用某種熱源(如電弧、等離子噴涂或燃燒火焰等)將粉末狀或絲狀的金屬或非金屬材料加熱到熔融或半熔融狀態,然后借助焰留本身或壓縮空氣以一定速度噴射到預處理過的基體表面,沉積而形成具有各種功能的表面涂層的一種技術。利用由燃料氣或電弧等提供的能量。

熱噴涂是國內外航空發動機公司使用應用最廣泛的一種涂層制備技術,主要被用于耐磨、抗氧化、抗腐蝕、可磨耗封嚴、熱障、防粘接、抗微振磨損、阻燃以及零件尺寸修復涂層的生產。物理氣相沉積技術則用于發動機熱端渦輪工作葉片和導向葉片部件的優質高溫防護涂層制備。在國內,空心陰極電弧離子鍍技術被用于MCrAlY和AlSiY抗氧化涂層的制造,電子束物理氣相沉積技術用于熱障涂層的生產。

在制備涂層的材料熔融、沉積過程中,由于粉末顆粒本身的淬火應力、其對已沉積涂層的沖擊應力以及涂層與基體材料在熱-機械性能方面差異造成的失配應變和熱梯度效應,某些情況下還有后續加工和服役環境的作用,都會使涂層內不可避免地出現或大或小的殘余應力。已有研究表明,殘余應力的大小和分布嚴重影響著涂層零件整個體系的主要性能,如基體疲勞壽命、涂層結合強度、耐剝落以及硬度、耐磨、抗熱沖擊、熱循環疲勞等性能,導致涂層開裂、翹起、剝落和分層,因此殘余應力對涂層質量、使用性能、涂層構件精度和尺寸穩定性等都有重要影響,甚至導致涂層零件過早失效。

理論認為當殘余應力超過涂層彈性極限時,拉伸應力會在垂直方向導致涂層開裂;一定的壓應力是有利的,因其能使涂層裂紋閉合,改善疲勞性能,但壓應力過大會導致涂層粘附性失效。在實際涂層生產中,殘余應力的產生及其影響非常復雜。對于熱噴涂涂層,其殘余應力與噴涂氣體流速、基體溫度、涂層/基體體系的溫度梯度、涂層材料性能、送粉速率、零件尺寸和幾何形狀、夾具、冷卻、噴槍相對于零件的表面速率、走槍路徑、涂層與基體厚度、彈性模量、熱膨脹系數、熱導率等諸多因素密切相關。

基體預處理、涂層后續加工及其服役工況對殘余應力也有很大影響。例如表面粗糙化預處理可以提高界面結合強度,然而粗糙界面復雜形貌容易出現垂直于界面的殘余拉應力,導致涂層破裂和剝離。精密磨削時,砂輪磨粒鈍化導致小平面磨鈍,使磨粒產生垂直于涂層表面的作用力,該力和摩擦力同時對涂層表面產生擠光作用,使涂層表面形成壓應力。砂輪粘結劑對殘余應力也有影響。

殘余應力還與涂層零件的結構和噴涂區域有關。圓周噴涂的軸類零件或環形件,涂層結合強度足夠大時,涂層破壞以開裂形式為主,其裂紋走向為圓周方向,也有軸向裂紋擴展的現象。小型零件內孔表面噴涂涂層,在噴涂、加工或試車考核等階段都會出現整體涂層剝落的嚴重質量問題。對于薄壁件,涂層應力導致零件變形,對涂層零件尺寸精度造成影響,嚴重時會使零件超差報廢。

試驗中通常以激光光束為激勵光源,采用顯微光學系統對喇曼光譜進行觀察,因此又稱為顯微激光喇曼光譜檢測技術。該檢測方法的空間分辨率可達到幾個微米,檢測范圍僅是被測對象表面及其以下約50納米的范圍,檢測精度非常高,適用于較薄的涂層。但是激光會導致涂層表面溫度升高,因此要求被測涂層具有一定的耐熱性能。

隨著計算機計算能力的不斷增強,數字模型,包括有限元模型,成為一種日益強大、有效且成本較低的模擬噴涂過程中涂層溫度和應變衍生過程的計算工具。有限單元法的基本思想是將連續的結構體離散為有限個單元,并在每一個單元中設定有限個節點,將連續體看作是在節點處相連接的單元集合體;將場函數的節點值作為基本未知量,并在每一單元中假設近似插值來表示單元中場函數的分布規律;利用力學變分原理來建立求解方程,以將一個連續域中的無限自由度問題化為離散域中的有限自由度問題來分析。

ABAQUS是HKS公司開發的一套功能強大的有限元工程模擬軟件,被認為是功能最強的非線性CAE軟件,它擁有豐富的單元庫和與之相應的材料模型庫,可以解決從相對簡單的線性分析到極富挑戰性的非線性模擬等多種問題,基本可以模擬計算任意實際形狀、多種材料復雜結構的力學、熱學和聲學等方面的問題。在國外已廣泛應用于航空航天、汽車、軍事、土木工程、材料加工等各個行業。另一種使用廣泛的有限元計算軟件為ANSYS模擬軟件。

有文獻描述了噴涂態涂層內殘余應力的幾種模型。在有限元模擬多層涂層系統時,需要有正確的材料數據、多層及其界面的幾何界面模型、足夠的網格單元以及不同試驗條件下的邊界假設。對于熱障涂層,將熱生長氧化物、陶瓷面層及基體層視為彈性和粘性材料,粘結層則為彈性和粘性-塑性材料。其材料物理數據包括面層、熱生長氧化物、粘結層和基體的熱膨脹系數、楊氏模量和柏松比及其蠕變變形參數,另外還要具備不同溫度下的粘結層應變-應力數據。在上述工作基礎上,給出熱載荷及邊界條件,進行網格及其構成元素設計。

有限元法還可以對噴涂粉末顆粒沉積過程進行模擬計算,揭示表面粗糙度、溫度等關鍵因素對涂層殘余應力影響的熱-機械變化過程。已有的有限元模型計算結果表明,在涂層厚度方向內存在應力梯度,即從涂層表面向內殘余應力逐漸演變為面內壓應力。

基體溫度對應力影響明顯,噴涂過程中基體溫度升高,面層內殘余應力會從拉應力向壓應力轉變。另外,殘余應力與涂層熱歷史密切相關,在涂層體系熱循環過程中,由于陶瓷層顯微裂紋萌生和合金粘結層蠕變作用,殘余應力高溫松弛,則在涂層體系冷卻到室溫過程中,因為基體與陶瓷層熱膨脹系數差異而導致面內二維壓應力增加。

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