基于内聚力模型的热障涂层失效行为研究

李雪换^1,2，底月兰²，王海斗²，李国禄¹，董丽虹²，马懿泽²

1. 河北工业大学材料科学与工程学院2. 陆军装甲兵学院装备再制造技术国防科技重点实验室

摘 要：热障涂层以其优异的隔热、耐磨和耐蚀性而被广泛应用于航空涡轮发动机中,其能够提高发动机的热效率和延长涡轮叶片的使用寿命。热障涂层的失效往往是裂纹扩展导致,其主要失效形式为表面开裂和界面分层失效。针对热障涂层的裂纹扩展行为,最重要也最直接的研究方法就是对热障涂层的整个损伤失效过程进行数值模拟,以便深入了解涂层失效过程及失效机理。内聚力模型能够比较精确地描述界面开裂问题,在一定程度上可减轻甚至消除裂纹尖端的应力奇异性,可以模拟任意裂纹扩展,故而在裂纹扩展研究中得到了广泛应用。采用内聚力模型模拟热障涂层表面开裂和界面分层失效的过程中,通常把内聚力单元预埋在可能出现裂纹的实体单元之间,当材料发生破坏时,裂纹就会沿着内聚力单元排布的方向形成和扩展。然而造成热障涂层损伤失效的因素较多,失效机理复杂,以及内聚力模型本身的缺陷性,使得利用内聚力模型模拟热障涂层失效过程的研究还不够全面。目前已经通过内聚力模型实现了热障涂层的损伤失效过程模拟,包括表面开裂过程和界面分层失效过程。当前研究大多忽略了涂层内部的微细观缺陷而将热障涂层视为均质材料进行研究,并且内聚力模型本身还存在一些问题,如参数的确定等。随着热障涂层的发展以及对内聚力模型认识的不断加深,内聚力模型模拟热障涂层损伤失效过程也在不断发展与完善。在表面开裂模拟方面,通过在陶瓷涂层内垂直嵌入内聚力单元来模拟陶瓷层内表面裂纹的扩展行为。陶瓷涂层内裂纹扩展行为的模拟大多采用扩展有限元法,内聚力模型的应用相对较少,而内聚力模型可有效解决界面开裂问题,特别是粘结层/陶瓷界面开裂问题,故而被广泛应用于热障涂层界面失效问题的研究中。本文对内聚力模型进行了简要介绍,总结了内聚力模型在模拟热障涂层损伤失效过程方面的研究进展,指出了当前研究中存在的问题并对其下一步的发展进行了展望。

关键词：热障涂层;内聚力模型;失效行为;裂纹扩展;表面开裂;界面分层;