基于物质点法对热障涂层冲蚀破坏的数值模拟

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热障涂层因其优良的隔热性能被广泛用于航空发动机。热障涂层主要在高温极端下服役,因而面临着诸多因素导致的破坏失效问题。冲蚀破坏是涂层失效的主要原因之一,研究热障涂层的冲蚀破坏对其应用具有重要指导意义。开展热障涂层冲蚀破坏实验成本高且不能完全模拟其服役环境,因而需借助于数值模拟方法对其开展仿真研究。热障涂层的冲蚀破坏属于大变形问题,为解决传统有限元法数值模拟存在网格畸变的问题,本文采用物质点法对热障涂层冲蚀破坏进行数值模拟,探讨不同冲蚀参数对热障涂层破坏的影响规律。具体研究内容如下:推导了物质点法控制方程,给出物质点法显示求解算法的流程图,并利用Fortran语言编写了物质点法程序。使用自编程序对外部颗粒冲蚀破坏热障涂层过程进行数值模拟,得到热障涂层冲蚀变形规律和冲蚀深度大小和与已有文献中的有限元法数值模拟结果进行对比,吻合较好,说明了自编物质点法程序模拟热障涂层冲蚀破坏过程是有效和可行的。基于物质点法模拟热障涂层冲蚀破坏过程,分析了冲蚀颗粒参数(冲蚀角度、冲蚀速度、冲蚀颗粒大小、形状、颗粒前侵角γ等)和涂层结构参数(柱状晶体宽度、晶间间隙)对热障涂层冲蚀破坏的影响规律。研究表明:冲蚀颗粒对EB-PVD热障涂层的冲蚀破坏机理为形成拐弯带。对于EB-PVD热障涂层,当a°(28)90时,拐弯带将呈对称分布;当≠90°时,拐弯带是与速度水平分量保持一致的非对称分布,且冲蚀角度较小时,冲蚀颗粒会二次破坏涂层。随着冲蚀颗粒增大和冲蚀速度增加,冲蚀深度也随之增加。棱形冲蚀颗粒对涂层的冲蚀破坏程度大于圆形颗粒。随着棱形冲蚀颗粒前侵角γ的增大,对涂层的破坏更加严重。当柱状晶体宽度较小时,冲蚀深度值会比较大,虽然易产生拐弯带但柱状晶体拐弯带部分极易开裂;较大时,无拐弯带产生吸收冲蚀碰撞产生的能量,柱状晶体底端有可能开裂失效。随着晶间间隙的增加,冲蚀深度越来越大。当晶间间隙较大时,不利于拐弯带的扩展;当晶间间隙太小时,会导致涂层的应变容限降低。本文的研究为模拟热障涂层冲蚀破坏提供了一种新的方法,且对研究热障涂层设计和工程应用具有一定的指导意义。
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