搜索有限元軟件如何助力航空發(fā)動(dòng)機(jī)耐磨涂層研發(fā)
2017-11-01 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
熱噴涂是指一系列過程,在這些過程中,細(xì)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(tài),沉積到一種經(jīng)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(tài),然后借助焰留本身或壓縮空氣以一定速度噴射到預(yù)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(shù)。利用由燃料氣或電弧等提供的能量。
熱噴涂是國內(nèi)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司使用應(yīng)用最廣泛的一種涂層制備技術(shù),主要被用于耐磨、抗氧化、抗腐蝕、可磨耗封嚴(yán)、熱障、防粘接、抗微振磨損、阻燃以及零件尺寸修復(fù)涂層的生產(chǎn)。物理氣相沉積技術(shù)則用于發(fā)動(dòng)機(jī)熱端渦輪工作葉片和導(dǎo)向葉片部件的優(yōu)質(zhì)高溫防護(hù)涂層制備。在國內(nèi),空心陰極電弧離子鍍技術(shù)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(shù)用于熱障涂層的生產(chǎn)。
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(yīng)力、其對(duì)已沉積涂層的沖擊應(yīng)力以及涂層與基體材料在熱-機(jī)械性能方面差異造成的失配應(yīng)變和熱梯度效應(yīng),某些情況下還有后續(xù)加工和服役環(huán)境的作用,都會(huì)使涂層內(nèi)不可避免地出現(xiàn)或大或小的殘余應(yīng)力。已有研究表明,殘余應(yīng)力的大小和分布嚴(yán)重影響著涂層零件整個(gè)體系的主要性能,如基體疲勞壽命、涂層結(jié)合強(qiáng)度、耐剝落以及硬度、耐磨、抗熱沖擊、熱循環(huán)疲勞等性能,導(dǎo)致涂層開裂、翹起、剝落和分層,因此殘余應(yīng)力對(duì)涂層質(zhì)量、使用性能、涂層構(gòu)件精度和尺寸穩(wěn)定性等都有重要影響,甚至導(dǎo)致涂層零件過早失效。
理論認(rèn)為當(dāng)殘余應(yīng)力超過涂層彈性極限時(shí),拉伸應(yīng)力會(huì)在垂直方向?qū)е峦繉娱_裂;一定的壓應(yīng)力是有利的,因其能使涂層裂紋閉合,改善疲勞性能,但壓應(yīng)力過大會(huì)導(dǎo)致涂層粘附性失效。在實(shí)際涂層生產(chǎn)中,殘余應(yīng)力的產(chǎn)生及其影響非常復(fù)雜。對(duì)于熱噴涂涂層,其殘余應(yīng)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(duì)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(shù)、熱導(dǎo)率等諸多因素密切相關(guān)。
基體預(yù)處理、涂層后續(xù)加工及其服役工況對(duì)殘余應(yīng)力也有很大影響。例如表面粗糙化預(yù)處理可以提高界面結(jié)合強(qiáng)度,然而粗糙界面復(fù)雜形貌容易出現(xiàn)垂直于界面的殘余拉應(yīng)力,導(dǎo)致涂層破裂和剝離。精密磨削時(shí),砂輪磨粒鈍化導(dǎo)致小平面磨鈍,使磨粒產(chǎn)生垂直于涂層表面的作用力,該力和摩擦力同時(shí)對(duì)涂層表面產(chǎn)生擠光作用,使涂層表面形成壓應(yīng)力。砂輪粘結(jié)劑對(duì)殘余應(yīng)力也有影響。
殘余應(yīng)力還與涂層零件的結(jié)構(gòu)和噴涂區(qū)域有關(guān)。圓周噴涂的軸類零件或環(huán)形件,涂層結(jié)合強(qiáng)度足夠大時(shí),涂層破壞以開裂形式為主,其裂紋走向?yàn)閳A周方向,也有軸向裂紋擴(kuò)展的現(xiàn)象。小型零件內(nèi)孔表面噴涂涂層,在噴涂、加工或試車考核等階段都會(huì)出現(xiàn)整體涂層剝落的嚴(yán)重質(zhì)量問題。對(duì)于薄壁件,涂層應(yīng)力導(dǎo)致零件變形,對(duì)涂層零件尺寸精度造成影響,嚴(yán)重時(shí)會(huì)使零件超差報(bào)廢。
試驗(yàn)中通常以激光光束為激勵(lì)光源,采用顯微光學(xué)系統(tǒng)對(duì)喇曼光譜進(jìn)行觀察,因此又稱為顯微激光喇曼光譜檢測技術(shù)。該檢測方法的空間分辨率可達(dá)到幾個(gè)微米,檢測范圍僅是被測對(duì)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(huì)導(dǎo)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(jì)算機(jī)計(jì)算能力的不斷增強(qiáng),數(shù)字模型,包括有限元模型,成為一種日益強(qiáng)大、有效且成本較低的模擬噴涂過程中涂層溫度和應(yīng)變衍生過程的計(jì)算工具。有限單元法的基本思想是將連續(xù)的結(jié)構(gòu)體離散為有限個(gè)單元,并在每一個(gè)單元中設(shè)定有限個(gè)節(jié)點(diǎn),將連續(xù)體看作是在節(jié)點(diǎn)處相連接的單元集合體;將場函數(shù)的節(jié)點(diǎn)值作為基本未知量,并在每一單元中假設(shè)近似插值來表示單元中場函數(shù)的分布規(guī)律;利用力學(xué)變分原理來建立求解方程,以將一個(gè)連續(xù)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(fā)的一套功能強(qiáng)大的有限元工程模擬軟件,被認(rèn)為是功能最強(qiáng)的非線性CAE軟件,它擁有豐富的單元庫和與之相應(yīng)的材料模型庫,可以解決從相對(duì)簡單的線性分析到極富挑戰(zhàn)性的非線性模擬等多種問題,基本可以模擬計(jì)算任意實(shí)際形狀、多種材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)的力學(xué)、熱學(xué)和聲學(xué)等方面的問題。在國外已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、軍事、土木工程、材料加工等各個(gè)行業(yè)。另一種使用廣泛的有限元計(jì)算軟件為ANSYS模擬軟件。
有文獻(xiàn)描述了噴涂態(tài)涂層內(nèi)殘余應(yīng)力的幾種模型。在有限元模擬多層涂層系統(tǒng)時(shí),需要有正確的材料數(shù)據(jù)、多層及其界面的幾何界面模型、足夠的網(wǎng)格單元以及不同試驗(yàn)條件下的邊界假設(shè)。對(duì)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(jié)層則為彈性和粘性-塑性材料。其材料物理數(shù)據(jù)包括面層、熱生長氧化物、粘結(jié)層和基體的熱膨脹系數(shù)、楊氏模量和柏松比及其蠕變變形參數(shù),另外還要具備不同溫度下的粘結(jié)層應(yīng)變-應(yīng)力數(shù)據(jù)。在上述工作基礎(chǔ)上,給出熱載荷及邊界條件,進(jìn)行網(wǎng)格及其構(gòu)成元素設(shè)計(jì)。
有限元法還可以對(duì)噴涂粉末顆粒沉積過程進(jìn)行模擬計(jì)算,揭示表面粗糙度、溫度等關(guān)鍵因素對(duì)涂層殘余應(yīng)力影響的熱-機(jī)械變化過程。已有的有限元模型計(jì)算結(jié)果表明,在涂層厚度方向內(nèi)存在應(yīng)力梯度,即從涂層表面向內(nèi)殘余應(yīng)力逐漸演變?yōu)槊鎯?nèi)壓應(yīng)力。
基體溫度對(duì)應(yīng)力影響明顯,噴涂過程中基體溫度升高,面層內(nèi)殘余應(yīng)力會(huì)從拉應(yīng)力向壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變。另外,殘余應(yīng)力與涂層熱歷史密切相關(guān),在涂層體系熱循環(huán)過程中,由于陶瓷層顯微裂紋萌生和合金粘結(jié)層蠕變作用,殘余應(yīng)力高溫松弛,則在涂層體系冷卻到室溫過程中,因?yàn)榛w與陶瓷層熱膨脹系數(shù)差異而導(dǎo)致面內(nèi)二維壓應(yīng)力增加。
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