Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Biến Đổi Căng Thẳng Dư Thừa Trong Lớp Nền Chống Nhiệt Do Ảnh Hưởng Nhiệt Được Đánh Giá Bằng Phương Pháp Đường Cong
Tóm tắt
Lớp chống nhiệt (TBC) được sử dụng để bảo vệ các phần nóng của tuabin khí và động cơ phản lực. Một hệ thống TBC bao gồm một nền tảng, lớp liên kết (BC) và lớp phủ TBC (TC). Cơ chế phát triển căng thẳng dư thừa do nhiệt độ cao trong TBC rất quan trọng trong việc thiết kế một TBC hiệu suất cao. Tuy nhiên, các nghiên cứu định lượng về sự thay đổi căng thẳng và mô hình của nó còn ít do khó khăn. Mục tiêu của nghiên cứu này là tiết lộ cơ chế thay đổi của căng thẳng lớp phủ dưới ảnh hưởng nhiệt độ cao. Để đạt được mục đích này, chúng tôi đã áp dụng mô hình dầm ba lớp để đánh giá căng thẳng dư thừa của TBC bằng cách sử dụng sự thay đổi đường cong. Căng thẳng dư thừa phụ thuộc thời gian trong TC và BC được gia nhiệt ở 600-1000 °C đã được đánh giá bằng phương pháp độ cong. Tiếp theo, chúng tôi đã điều tra cơ chế tạo ra căng thẳng của các lớp phủ bằng cách sử dụng mô hình phân tích phần tử hữu hạn (FEA) phản ánh các độ cong đã đo. Kết quả thí nghiệm của chúng tôi cho thấy rằng căng thẳng dư thừa trong BC đã chuyển từ kéo sang nén do ảnh hưởng nhiệt. Tuy nhiên, ảnh hưởng nhiệt không có tác động đáng kể đến căng thẳng dư thừa trong TC. Những thay đổi này trong căng thẳng lớp phủ, bao gồm sự phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian, đã được giải thích nhất quán bởi sự thư giãn căng thẳng trong BC bằng mô hình FEA.
Từ khóa
#Lớp chống nhiệt #căng thẳng dư thừa #ảnh hưởng nhiệt #mô hình phần tử hữu hạn #độ congTài liệu tham khảo
N.P. Padture, M. Gell, and E.H. Jordan, Thermal Barrier Coatings for Gas-Turbine Engine Applications, Science, 2002, 296, p 280-284
A. Feuerstein, J. Knapp, T. Taylor, A. Ashary, A. Bolcavage, and N. Hitchman, Technical and Economical Aspects of Current Thermal Barrier Coating Systems for Gas Turbine Engines by Thermal Spray and EBPVD: A Review, J. Therm. Spray Technol., 2008, 17(2), p 199-213
J. Gibmeier, H.C. Back, M. Mutter, F. Vollert, J.R. Kornmeier, R. Mücke, and R. Vaßen, Study of Stability of Microstructure and Residual Strain after Thermal Loading of Plasma Sprayed YSZ by Through Surface Neutron Scanning, Physica B Condens. Matter, 2018, 551(15), p 69-78
Q. Chen, W.G. Mao, Y.C. Zhou, and C. Lu, Effect of Young’s Modulus Evolution on Residual Stress Measurement of Thermal Barrier Coatings by X-Ray Diffraction, Appl. Surf. Sci., 2010, 256, p 7311-7315
P. Jiang, X. Fan, Y. Sun, H. Wang, L. Su, and T. Wang, Thermal-Cycle Dependent Residual Stress within the Crack-Susceptible Zone in Thermal Barrier Coating System, J. Am. Ceram. Soc., 2018, 101, p 4256-4261
Y.C. Tsui and T.W. Clyne, An Analytical Model for Predicting Residual Stresses in Progressively Deposited Coatings Part1: Planar Geometry, Thin Solid Films, 1997, 306, p 23-33
J. Matejicek and S. Sampath, In Situ Measurement of Residual Stresses and Elastic Moduli in Thermal Sprayed Coatings Part 1: Apparatus and Analysis, Acta Mater., 2003, 51, p 863-872
S. Kuroda, T. Fukushima, and S. Kitahara, Simultaneous Measurement of Coating Thickness and Deposition Stress during Thermal Spraying, Thin Solid Films, 1988, 164, p 157-163
T. Hayase, H. Waki, Y. Hasebe, and 2, Evaluation Method of the Residual Stress in Thermal Barrier Coating System Based on the Curvature of the Three-Layered Specimen, J. Soc. Mat. Sci. Jpn., 2017, 66(2), p 150-157 (in Japanese)
D.J. Greving, E.F. Rybicki, and J.R. Shadley, Through-Thickness Residual Stress Evaluations for Several Industrial Thermal Spray Coatings Using a Modified Layer-Removal Method, J. Therm. Spray Technol., 1994, 3(4), p 379-388
Y. Yamazaki, H. Fukanuma, and N. Ohno, Effect of Interfacial Roughness of Bond Coat on the Residual Adhesion Strength of a Plasma Sprayed TBC System after Thermal Cycle Fatigue, Trans. Jpn. Soc. Mech. Eng. A, 2010, 76(767), p 831-838
M. Arai and K. Kishimoto, Influence of High-Temperature Exposure on Interfacial Fracture Toughness of Thermal Barrier Coating, J. Solid Mech. Meter. Eng., 2007, 1(8), p 1005-1016
M. Okazaki, S. Yamagishi, Y. Yamazaki, K. Ogawa, H. Waki, and M. Arai, Adhesion Strength of Ceramic Top Coat in Thermal Barrier Coatings Subjected to Thermal Cycles: Effects of Thermal Cycle Testing Method and Environment, Int. J. Fatigue, 2013, 53, p 33-39
Y. Itoh, M. Saitoh, and M. Miyazaki, Microstructure and Residual Stress of Low-Pressure Plasma-Sprayed MCrAlY Coatings, Trans. Jpn. Soc. Mech. Eng. A, 1995, 61(581), p 87-92 ((in Japanese))
Y. Chen, X. Zhao, Y. Dang, P. Xiao, N. Curry, N. Markocsan, and P. Nylen, Characterization and Understanding of Residual Stresses in a NiCoCrAlY Bond Coat for Thermal Barrier Coating Application, Acta Mater., 2015, 94, p 1-14
K. Suzuki, K. Tanaka, Y. Akiniwa, M. Kawamura, K. Nishio, and H. Okado, In-Situ Stress Measurement of Bond Coatings at High Temperature by High-Energy Synchrotron X-Rays, J. Soc. Mater. Sci. Jpn., 2003, 52(7), p 756-763 (in Japanese)
K. Suzuki, S. Machiya, K. Tanaka, and Y. Sakaida, X-Ray Study on Deformation Characteristics of Thermal Barrier Coating Films, Trans. Jpn. Soc. Mech. Eng. A, 2001, 67(660), p 1325-1331 ((in Japanese))
K. Suzuki, T. Kubo, K. Tanaka, and Y. Akiniwa, Analysis on Residual Stress Distribution in Oxidized Thermal Barrier Coatings, J. Soc. Mater. Sci. Jpn., 2005, 54(7), p 679-684
V. Teixeira, M. Andritschky, W. Fischer, H.P. Buchkremer, and D. Stöver, Analysis of Residual Stress in Thermal Barrier Coatings, J. Mater. Process. Technol., 1999, 92–93, p 209-216
C.M. Weyant, J. Almer, and K.T. Faber, Through-Thickness Determination of Phase Composition and Residual Stresses in Thermal Barrier Coatings Using High-Energy X-Rays, Acta Mater., 2010, 58, p 943-951
L. Yang, F. Yang, Y. Long, Y. Zhao, X. Xiong, X. Zhao, and P. Xiao, Evolution of Residual Stress in Air Plasma Sprayed Yttria Stabilized Zirconia Thermal Barrier Coatings after Isothermal Treatment, Surf. Coat. Technol., 2014, 251, p 98-105
K. Suzuki and T. Shobu, Internal Stress in EB-PVD Thermal Barrier Coatings under Thermal Cycle, J. Soc. Mater. Sci. Jpn., 2009, 58(7), p 562-567 (in Japanese)
F. Wang, Y. Zhang, and H. Wang, Residual Stress and Damage Evolution in TBCs by Optical Method, Key Eng. Mater., 2006, 324–325, p 1047-1050
M. Arai, Coating Stresses in Thermal Barrier Coatings by an In-situ Curvature Monitoring Technique, J. Solid Mech. Meter. Eng., 2008, 2(9), p 1207-1219
M. Arai, Mechanistic Study on the Degradation of Thermal Barrier Coatings Induced by Volcanic Ash Deposition, J. Therm. Spray Technol., 2017, 26, p 1207-1221
G.G. Stoney, The Tension of Metallic Films Deposited by Electrolysis, Proc. R. Soc. Lond. Ser. A, 1909, 82, p 172-175
A. Brenner and S. Senderoff, Calculation of Stress in Electrodeposits from the Curvature of a Plated Strip, J. Res. Nat. Bur. Stand., 1949, 42, p 105-123
T.W. Clyne, Residual Stresses in Surface Coatings and Their Effects on Interfacial Debonding, Key Eng. Mater., 1996, 116–117, p 307-330
J. Zhu, H. Xie, Z. Hu, P. Chen, and Q. Zhang, Residual Stress in Thermal Spray Coatings Measured by Curvature Based on 3D Digital Image Correlation Technique, Surf. Coat. Technol., 2011, 206, p 1396-1402
T. Hayase and H. Waki, Measurement of Young’s Modulus and Poisson’s Ratio of Thermal Barrier Coating Based on Bending of Three-Layered Plate, J. Therm. Spray Technol., 2018, 27(5), p 983-998
T. Hayase, H. Waki, and K. Adachi, Effect of Heat Treatment on Young’s Modulus and Poisson’s Ratio of Thermal Barrier Coating Studied by Bending of Three-Layered Specimen. J. Soc. Mater. Sci. Jpn. 69, (2020) (in press)
K. Tanaka, X-Ray Stress Measurement by the Cos α Method Using Two-Dimensional Detector Part 1: Fundamentals of Measurements, J. Soc. Mater. Sci. Jpn., 2017, 66(7), p 470-478 (in Japanese)
A.A. Wareszczak, J.G. Hemrick, T.P. Kirkland, and J.A. Haynes, Stress Relaxation of MCrAlY Bond Coat alloys as a Function of Temperature and Strain, in The International Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exhibition, June 2–5 (Stockholm), 98-GT-403 (1998)
H. Chen, T.H. Hyde, K.T. Voisey, and D.G. McCartney, Application of Small Punch Creep Testing to a Thermally Sprayed CoNiCrAlY Bond Coat, Mater. Sci. Eng., A, 2013, 585, p 205-213
R. John, D.J. Buchanan, M.J. Caton, and S.K. Jha, Stability of Shot Peen Residual Stresses in IN 100 Subjected to Creep and Fatigue Loading, Procedia Eng., 2010, 2, p 1887-1893
L. Yang, Z. Zou, Z. Kou, Y. Chen, G. Zhao, X. Zhao, F. Guo, and P. Xiao, High Temperature Stress and Its Influence on Surface Rumpling in NiCoCrAlY Bond Coat, Acta Mater., 2017, 139, p 122-0137
M. Arai, U. Iwata, T. Suidzu, and K. Tani, Functional Evaluations for a Vertical-Crack Induced Thermal Barrier Coating System, J. Soc. Mater. Sci. Jpn., 2004, 53(9), p 1024-1029 ((in Japanese))