| 热障涂层体系在弯曲载荷和热载荷下的力学行为研究 |
| 英文题名 | The Mechanical Behavior of Thermal Barrier Coatings under Bending Loads and Thermal Loads
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| 刘晓辉
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| 导师 | 马寒松
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| 2017
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| 学位授予单位 | 中国科学院大学
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| 学位授予地点 | 北京
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| 学位类别 | 硕士
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| 学位专业 | 固体力学
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| 摘要 | 热障涂层具有良好的隔热性能，广泛用于航空发动机的涡轮叶片等热防护部件，保护高温合金基底正常工作，提高部件工作寿命。由于涂层部件服役于高温环境，会受到热疲劳、热冲击或者物理冲击等作用，造成涂层表面裂纹的产生，甚至涂层/基底的界面破坏，最终导致涂层的脱落，使得基底暴露在高温环境中，缩短部件使用寿命。所以研究热障涂层体系在力学载荷和热载荷下的破坏行为极其重要。本文通过设计相关力学实验、高温氧化和热震实验以及相应的数值模拟，研究了热障涂层体系在弯曲载荷和热载荷下的破坏模式和机理。主要的研究成果如下： （1）研究了不同厚度的圆薄板在弯曲载荷下的破坏模式。基于薄板弯曲理论分析，发现环向弯矩大于径向弯矩，并通过有限元数值模拟，发现环向正应力大于径向正应力以及厚涂层界面剪应力明显大于薄涂层。理论和数值分析都表明，涂层首先会产生径向裂纹并且厚涂层界面更容易层裂，和圆薄板弯曲实验结果一致。 （2）设计了热障涂层样品的热震实验，研究了不同厚度涂层体系的热震破坏行为。研究发现厚涂层体系在较低循环次数下发生涂层剥落，界面裂纹主要是在样品两端首先开裂。同时，针对热震情况进行了有限元数值分析，结果显示在升温阶段由于涂层和基底的热膨胀的不协调使得涂层承受拉应力，并在热震瞬间应力场有了20 MPa ~ 40 MPa的升高，加速了裂纹的开裂和扩展。 （3）设计了不同涂层厚度的试样在相同温度下相同时间内的高温氧化实验，以及相同涂层厚度的试样在相同温度下不同氧化时间内的实验。研究表明：氧化层成分主要是Al的氧化物，其厚度与氧化时间的关系服从抛物线规律（氧化动力学曲线）；对高温氧化后的试样进行纳米压痕实验，发现随着氧化时间的增加，涂层的弹性模量和硬度都会增加并趋于稳定；对高温氧化后的试样进行三点弯曲实验，发现薄涂层体系主要为涂层内横向裂纹主导破坏，厚涂层体系主要为涂层基底间的界面裂纹主导破坏，并且高温氧化使得厚涂层的界面裂纹扩展更加迅速。 |
| 索取号 | Mas2017-017
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| 语种 | 中文
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| 文献类型 | 学位论文
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| 条目标识符 | http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/60403
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| 专题 | 非线性力学国家重点实验室
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推荐引用方式
GB/T 7714 |
刘晓辉. 热障涂层体系在弯曲载荷和热载荷下的力学行为研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2017.
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