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NiCoCrAlY/YSZ梯度涂层热力学性能的有限元模拟
Finite element simulation of thermodynamic properties of NiCoCrAlY/YSZ gradient coating

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王士峰 1   夏明岗 2   刘明 3   王玉 1   王斌 2   白宇 1 *   王海斗 3  
文摘 采用代表体积单元法建立NiCoCrAlY/YSZ梯度热障涂层的有限元二维微观模型,计算不同相成分配比下梯度层的热物理性能参数,将参数结果推广到三维多层涂层实体模型,研究热循环过程中双层结构涂层和梯度结构涂层的热力学性能。结果表明:梯度层的弹性模量、泊松比、热膨胀系数、导热系数与各相成分比例近似呈线性关系,导热系数受各相分布形态的影响;当梯度层中NiCoCrAlY相成分比例在0.7以下时,导热系数较低,常温状态最高为2.91 W·m~(-1)·K~(-1)。相比于双层结构涂层,梯度结构涂层的YSZ成分比例降低20%,隔热温度降低14%,陶瓷面层在高温时产生的热失配径向拉应力降低47%,轴向拉应力降低32%,切应力降低37%,冷却后的残余应力降低50%,这归因于涂层结构的梯度化有效降低涂层与基体热膨胀系数不同而产生的热失配应力。根据涂层应力分布结果,涂层易在TC/BC界面的中心区域形成垂直裂纹,靠近外侧边缘区形成水平裂纹。
其他语种文摘 The two-dimensional finite element microscopic model of NiCoCrAlY/YSZ gradient thermal barrier coating was established by using the representative volume element method to calculate the thermophysical properties of the gradient layer under different composition ratios. The parameter results were extended to the three-dimensional multi-layer solid model to study the thermodynamic properties of the double-layer coating and gradient structured coating under thermal cycling condition. The results show that the elastic modulus, Poisson's ratio, coefficient of thermal expansion and thermal conductivity of the gradient layer are approximately linear with the component proportion of each phase, and the thermal conductivity is also affected by the distribution pattern of each phase. The thermal conductivity is low and the highest value is 2.91 W·m~(-1)·K~(-1) when the proportion of NiCoCrAlY phase in the gradient layer is below 0.7 at room temperature. Compared with the double-layer coating, the proportion of YSZ in gradient coatings is reduced by 20%, the insulation temperature is reduced by 14%, the radial tensile stress, axial tensile stress, and shear stress of the ceramic surface layer at high temperature are reduced respectively by 47%, 32% and 37%, and the residual stress after cooling is reduced by 50%. The results are attributed that the gradient of the coating structure can effectively reduce the thermal mismatch stress caused by the difference in the thermal expansion coefficient between coating and substrate. According to the results of coating stress distribution, the coating is inclined to form vertical cracks in the centre region and horizontal cracks near the outer edge of the TC/BC interface.
来源 航空材料学报 ,2023,43(1):70-79 【核心库】
DOI 10.11868/j.issn.1005-5053.2022.000059
关键词 热障涂层 ; 梯度结构 ; 有限元 ; 微观模型 ; 热应力
地址

1. 西安交通大学, 金属材料强度国家重点实验室, 西安, 710049  

2. 西安交通大学物理学院, 物质非平衡合成与调控教育部重点实验室, 西安, 710049  

3. 陆军装甲兵学院, 装备再制造技术国防科技重点实验室, 北京, 100072

语种 中文
文献类型 研究性论文
ISSN 1005-5053
学科 金属学与金属工艺
基金 国家自然科学基金重点项目 ;  国家自然科学基金面上项目 ;  国家自然科学基金青年项目
文献收藏号 CSCD:7441007

参考文献 共 23 共2页

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引证文献 2 篇

1 刘德林 热障涂层热力耦合条件下的应力仿真计算 材料工程,2024,52(7):162-172
CSCD被引 0 次

2 崔彦郁 超音速火焰喷涂NiCoCrAlY粒子沉积行为的数值模拟研究 摩擦学学报（中英文）,2025,45(1):3-12
CSCD被引 0 次

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