邵洪旭

(武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖北 武漢：430080)

等離子噴涂熱障涂層拉伸過程中的裂紋擴(kuò)展有限元模擬

邵洪旭

(武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖北 武漢：430080)

基于等離子噴涂涂層顯微組織圖片構(gòu)建有限元模型，準(zhǔn)確反映孔洞、裂紋等缺陷在涂層中的實(shí)際分布特征。利用LS-DYNA有限元方法計(jì)算拉伸過程中涂層內(nèi)部的應(yīng)力變化，以最大主應(yīng)力作為涂層材料的失效判據(jù)，模擬裂紋萌生、擴(kuò)展過程。數(shù)值模擬結(jié)果表明，噴涂過程中在陶瓷層內(nèi)形成的橫向主裂紋尖端是拉伸過程中裂紋擴(kuò)展的萌生點(diǎn)，裂紋在擴(kuò)展過程中與原有缺陷相互作用使得擴(kuò)展的裂紋發(fā)生了分叉以及偏轉(zhuǎn)，真實(shí)再現(xiàn)了裂紋擴(kuò)展引起涂層失效的過程。

熱障涂層；有限元模擬；裂紋擴(kuò)展；斷裂拉伸

等離子噴涂熱障涂層體系(plasma-sprayed thermal barrier coatings, PS TBCs)一般包括基體、金屬粘結(jié)層(BC)、陶瓷隔熱層(TC)等[1]。涂層結(jié)合強(qiáng)度包括涂層與基體之間的粘結(jié)強(qiáng)度以及涂層自身的內(nèi)聚強(qiáng)度，是反映涂層性能高低的一個(gè)重要指標(biāo),若結(jié)合強(qiáng)度過小，將造成涂層局部起皮、剝落，導(dǎo)致涂層服役壽命降低[2]。涂層結(jié)合強(qiáng)度通常采用軸向拉伸法來測(cè)定，與涂層拉伸失效相關(guān)的主要因素包括：(1)外加拉伸載荷的強(qiáng)度；(2)涂層材料自身的本征力學(xué)性能；(3)涂層在等離子噴涂制備過程中形成的孔洞、裂紋等缺陷及其分布；(4)涂層內(nèi)不同材料之間的層間界面等[3-6]。由于這些因素綜合作用，使得對(duì)涂層在承受拉伸載荷作用時(shí)的裂紋擴(kuò)展過程研究顯得尤為困難。

本文以等離子噴涂熱障涂層為研究對(duì)象，利用自主開發(fā)的基于涂層圖片有限元模型生成程序，建立能真實(shí)反映涂層中孔洞、裂紋等缺陷分布的有限元模型，進(jìn)一步進(jìn)行涂層拉伸過程中的裂紋擴(kuò)展模擬。

1 實(shí)驗(yàn)方法

采用薄膜粘接軸向拉伸法進(jìn)行涂層拉伸試驗(yàn)測(cè)試。陶瓷層厚度為350μm，試樣尺寸設(shè)計(jì)為φ25mm×10mm，選用FM1000薄膜膠作為粘結(jié)劑。將制備好的拉伸試件裝卡在電子式萬能試驗(yàn)機(jī)上，采用1mm/min的速率加載，直至涂層內(nèi)部發(fā)生分離或從基體上剝離。通過對(duì)涂層試樣拉伸失效斷口形貌觀察發(fā)現(xiàn)失效主要發(fā)生在陶瓷層內(nèi)部靠近粘結(jié)層的位置。

2 計(jì)算方法

本文開發(fā)了一種基于涂層真實(shí)的顯微組織圖片構(gòu)建有限元模型，模擬拉伸引起的應(yīng)力變化以及裂紋擴(kuò)展直至失效的整個(gè)過程。熱障涂層拉伸失效更容易在陶瓷層內(nèi)發(fā)生的主要原因是：(1)粘結(jié)層具有較好的延展性，室溫下其屈服應(yīng)力可以達(dá)到426MPa[7]，而陶瓷層為脆性材料，斷裂發(fā)生較為容易；(2)陶瓷層中含有一定數(shù)量的孔洞、裂紋等缺陷，涂層在拉伸過程中應(yīng)力極易在這些缺陷的尖端迅速累積，導(dǎo)致斷裂失效。

2.1 有限元模型

軸向拉伸過程中，應(yīng)力主要沿著噴涂方向從端面向涂層內(nèi)部傳遞，涂層中的缺陷分布對(duì)應(yīng)力的傳遞以及裂紋擴(kuò)展都將產(chǎn)生重要的影響；同時(shí)，拉伸失效的位置主要是在界面附近的陶瓷層?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，在選取用于拉伸模擬的涂層顯微組織圖片中應(yīng)關(guān)注以下兩點(diǎn)：(1)含有TC/BC的界面形貌特征；(2)所建幾何模型中，陶瓷層應(yīng)選取足夠的厚度以充分反映裂紋的擴(kuò)展路徑[8]。

選用放大倍數(shù)為350倍的涂層顯微組織掃描電鏡(SEM)圖片為有限元建模對(duì)象，如圖1所示，陶瓷層的厚度在200μm左右，能夠充分反映裂紋的擴(kuò)展路徑；同時(shí)，TC/BC的界面形貌特征也能很好的展現(xiàn)出來。采用自主開發(fā)的基于材料顯微組織圖片的有限元模型生成方法(具體方法見文獻(xiàn)[8-12])，基于圖1建立如圖2所示的有限元網(wǎng)格模型，其網(wǎng)格單元數(shù)約為62500，為有限元計(jì)算提供了較好的網(wǎng)格精度。

圖1 橫截面顯微組織圖片

圖2 有限元網(wǎng)格模型

2.2 材料模型及載荷

陶瓷層(TC)材料選用彈性材料模型，粘結(jié)層(BC)材料選用彈塑性材料模型。軸向拉伸過程中，TC失效主要表現(xiàn)為拉應(yīng)力引起的裂紋擴(kuò)展，因此本文采用最大主應(yīng)力作為TC材料的失效判據(jù)，采用中間鉆孔巴西圓盤試驗(yàn)測(cè)得TC材料YSZ的失效判據(jù)為215MPa[13]，用于計(jì)算的具體材料參數(shù)如表1[13]所示。

表1 材料性能參數(shù)[13]

選擇模型的上下兩端面為載荷施加對(duì)象，固定一端面，在另一端面施加隨時(shí)間變化線性增加的應(yīng)力載荷，加載速率為1MPa/s。

3 計(jì)算結(jié)果

采用LS-DYNA有限元軟件模擬拉伸過程中涂層裂紋擴(kuò)展直至失效的過程，把試驗(yàn)中無法觀察到的失效過程真實(shí)地再現(xiàn)出來。圖3和圖4是兩張典型的涂層橫截面微區(qū)SEM圖片，其顯微組織特征分別是噴涂過程中在TC/BC界面以及陶瓷層內(nèi)接近TC/BC界面處形成了較長的裂紋，涂層在拉伸過程中的失效易于從這些缺陷處發(fā)生。

圖3 TC/BC界面附近含有較長裂紋

圖4 陶瓷層內(nèi)含有較長裂紋

圖5至圖12分別為圖3和圖4在不同時(shí)刻的裂紋擴(kuò)展有限元模擬圖。

圖5和圖6給出了載荷增加至一定程度時(shí)的應(yīng)力變化情況。從圖5及圖6中可以看出，A區(qū)域和B區(qū)域?yàn)閼?yīng)力峰值所在區(qū)域，當(dāng)載荷施加時(shí)間為35.2s時(shí)，A區(qū)域的應(yīng)力峰值已經(jīng)達(dá)到202MPa；B區(qū)域的應(yīng)力峰值在載荷施加至31s時(shí)為208MPa。當(dāng)外加載荷繼續(xù)增加時(shí)，裂紋將優(yōu)先在A區(qū)域的界面附近或者B區(qū)域的陶瓷層內(nèi)形核，反映出兩種典型的裂紋形核位置。

圖5 35.2s時(shí)受載界面附近裂紋性有限元模擬圖

圖6 31s時(shí)受載陶瓷層內(nèi)裂紋有限元模擬圖

圖7給出了加載時(shí)間為35.3s時(shí)圖3的裂紋擴(kuò)展模擬圖。從圖7中可以看出，裂紋沿TC/BC界面向左右兩方向擴(kuò)展，受到TC/BC界面附近處缺陷的影響，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到缺陷附近時(shí)，將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，向陶瓷層內(nèi)擴(kuò)展；圖8給出了加載時(shí)間為31.1s時(shí)圖4的裂紋擴(kuò)展模擬圖。從圖8中可以看出，在陶瓷層內(nèi)原有缺陷處裂紋開始擴(kuò)展。

圖7 35.3s時(shí)界面附近裂紋擴(kuò)展模擬圖

圖8 31.1s時(shí)陶瓷層內(nèi)裂紋擴(kuò)展模擬圖

隨著外加載荷的持續(xù)增加，裂紋繼續(xù)擴(kuò)展。當(dāng)加載時(shí)間為35.6s時(shí)，從圖9中可以觀察到，圖3的裂紋在向右側(cè)方向橫向擴(kuò)展的過程中經(jīng)過陶瓷層內(nèi)的微孔洞時(shí)，會(huì)在原有缺陷處形成次生裂紋，表現(xiàn)為橫向擴(kuò)展的主裂紋發(fā)生了細(xì)小的分叉；同時(shí)，由于剪切作用，在涂層微區(qū)上端面原有缺陷處最大主應(yīng)力迅速增加，裂紋開始萌生并沿斜向下方向擴(kuò)展。圖10給出了加載時(shí)間為31.4s時(shí)圖4的裂紋擴(kuò)展模擬圖。從圖10中可以看出，裂紋在向左側(cè)方向擴(kuò)展的同時(shí)也向右側(cè)方向開始擴(kuò)展，并很快貫穿至模型的左側(cè)邊界。

圖9 35.6s時(shí)界面附近裂紋擴(kuò)展模擬圖

圖10 31.4s時(shí)陶瓷層內(nèi)裂紋擴(kuò)展模擬圖

圖11給出了加載時(shí)間為36s時(shí)圖3被完全拉斷的模擬圖。從圖11中可以看出，圖3被拉斷的過程中，在除了橫向擴(kuò)展的主裂紋之外的其它地方也出現(xiàn)了次生裂紋，主要是因?yàn)樵谥髁鸭y橫向擴(kuò)展的過程中，圖3中其它較大缺陷周圍的應(yīng)力值也達(dá)到了失效應(yīng)力值，次生裂紋開始擴(kuò)展。同時(shí)，斜向下擴(kuò)展的裂紋由于缺陷的作用，改變了原有的擴(kuò)展路徑，不斷發(fā)生分叉；加載時(shí)間為31.6s時(shí)，圖4被完全拉斷，如圖12所示。從圖12中可以看出主裂紋橫向擴(kuò)展過程中經(jīng)過陶瓷層內(nèi)的缺陷時(shí)，橫向擴(kuò)展的主裂紋發(fā)生了一定程度的分叉偏轉(zhuǎn)。盡管圖中存在兩種不同的形核位置(界面處形核、陶瓷層內(nèi)形核)，但最終都是在陶瓷層內(nèi)靠近界面位置附近形成主裂紋直至貫穿型斷裂，這與試驗(yàn)觀察到的現(xiàn)象相吻合，反映了模擬方法的準(zhǔn)確性，為進(jìn)一步的涂層拉伸結(jié)合強(qiáng)度預(yù)測(cè)提供了可靠的方法。

圖11 36s界面附近裂紋擴(kuò)展模擬圖

圖12 31.6s時(shí)陶瓷層內(nèi)裂紋擴(kuò)展模擬圖

4 結(jié)論

(1)采用自主開發(fā)的基于材料顯微組織圖片的有限元模型生成方法，建立能反映孔洞、裂紋等缺陷真實(shí)分布的有限元模型；

(2)利用LS-DYNA有限元方法，模擬在拉伸過程中涂層微區(qū)內(nèi)的應(yīng)力變化，模擬結(jié)果表明陶瓷層內(nèi)的橫向主裂紋為應(yīng)力峰值集中區(qū)域，是裂紋擴(kuò)展的萌生位置；

(3)盡管存在兩種不同的典型形核位置(界面處形核、陶瓷層內(nèi)形核)，但最終都是在陶瓷層內(nèi)靠近界面位置附近形成主裂紋直至貫穿型斷裂。裂紋擴(kuò)展過程中與原有缺陷相互作用使得擴(kuò)展的裂紋發(fā)生了分叉以及偏轉(zhuǎn)，改變了裂紋的擴(kuò)展路徑；

(4)拉伸過程中的裂紋擴(kuò)展模擬能很好地反映涂層的失效過程，為進(jìn)一步的涂層拉伸結(jié)合強(qiáng)度預(yù)測(cè)提供了可靠的方法。

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FiniteElementSimulationofMicro-cracksGrowthofPlasmaSprayedCoatingsduringTensileprocessing

Shao Hongxu

(Wuhan Engineering Institute, Wuhan 430080, Hubei)

Based on microstructures of plasma sprayed coatings, finite element models are built to reflect actual distribution of pores and micro-cracks in coatings. LS-DYNA finite element method is employed to model the stress changing when suffering tensile processing, with a failure criterion determined by the maximum principal stress, and the micro-cracks growth is simulated. The numerical simulation results show that the major transverse crack generate during plasma spraying have the largest stress intensity factor, which is exactly the crack propagation location. It is found that the growth cracks will bifurcate and deflect when interacting with the original defects, reflecting the coatings’ failure process.

plasma sprayed coatings; finite element method; micro-cracks growth; tensile fracture

TP319

A

1671-3524(2017)03-0028-04

2017-08-10

2017-08-25

邵洪旭(1982～)，男，大學(xué)，講師.E-mail:46574268@qq.com

(責(zé)任編輯：李文英)