有限元軟件如何助力航空發(fā)動機耐磨涂層研發(fā)

 熱噴涂是國內(nèi)外航空發(fā)動機公司使用應(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、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)動機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)。有限元軟件在耐磨涂層研發(fā)上的應(yīng)用是很廣泛的。深圳市有限元科技有限公司是一家有十年有限元分析項目經(jīng)驗的高科技企業(yè)，公司代理國外多款著名有限元軟件，并提供軟件的銷售與培訓(xùn)業(yè)務(wù)，另研發(fā)出多款行業(yè)有限元通用軟件，并秉承以最高質(zhì)量的產(chǎn)品和最高質(zhì)量的服務(wù)滿足客戶的各種需求的服務(wù)理念，致力于為客戶提供一站式有限元整體解決方案，目前已為全國超過500家企業(yè)提供有限元分析服務(wù)。如需購買有限元軟件或咨詢服務(wù)請聯(lián)系電話：13632683051，咨詢QQ：2039363860/4006046636。

 今天，有限元科技小編為大家分享的是：有限元軟件如何助力航空發(fā)動機耐磨涂層技術(shù)的研發(fā)。

 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、其對已沉積涂層的沖擊應(yīng)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(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(jié)合強度、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。

 理論認為當殘余應(yīng)力超過涂層彈性極限時，拉伸應(yīng)力會在垂直方向?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)力過大會導(dǎo)致涂層粘附性失效。在實際涂層生產(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，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，該力和摩擦力同時對涂層表面產(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(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出現(xiàn)整體涂層剝落的嚴重質(zhì)量問題。對于薄壁件，涂層應(yīng)力導(dǎo)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(tǒng)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(shù)。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(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。

 隨著計算機計算能力的不斷增強，數(shù)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(yīng)變衍生過程的計算工具。有限單元法的基本思想是將連續(xù)的結(jié)構(gòu)體離散為有限個單元，并在每一個單元中設(shè)定有限個節(jié)點，將連續(xù)體看作是在節(jié)點處相連接的單元集合體；將場函數(shù)的節(jié)點值作為基本未知量，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；利用力學變分原理來建立求解方程，以將一個連續(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(yīng)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(zhàn)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(fù)雜結(jié)構(gòu)的力學、熱學和聲學等方面的問題。在國外已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、軍事、土木工程、材料加工等各個行業(yè)。

 有文獻描述了噴涂態(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，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條件下的邊界假設(shè)。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(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，進行網(wǎng)格及其構(gòu)成元素設(shè)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(guān)鍵因素對涂層殘余應(yīng)力影響的熱-機械變化過程。已有的有限元模型計算結(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，因為基體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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