热障涂层的研究始于20世纪40年代,在航空、航天、车辆、船舶等领域有着广泛的应用。所谓热障涂层,是指由金属黏结层(如NiCrCoaly)和高熔点陶瓷(如Y2部分稳定的zr2)表面层组成的涂层系统,作用于发动机热端部件可起到良好的隔热作用。以航空发动机为例,随着其向高流量比、高推重比等更高性能方向发展,在发动机热端部件表面制备热障涂层已成为保证发动机使用安全性和可靠性的关键因素。
热障涂层的制备方法很多,主要有等离子喷涂法、气相沉积法(cVD、PνD或PCVD法)、高温自蔓延合成法、粒子排列法、粉未冶金法和离心铸造法等。而在制备热障涂层方面,等离子喷涂法具有明显的优势。如图1-1所示,等离子喷涂法利用喷枪产生的直流电弧加热工作气体(氩气(A)、氦气(He)等或其混合气体),通过离化和复合反应获得超高温(通常在10000C以上)和高速等离子射流熔化由载气送入的陶瓷、金属粉体材料,并最终使之与基体碰撞形成涂层。此外,等离子喷涂法还具有零件无变形、涂层种类多、工艺稳定、零件尺寸不受限制及涂层质量髙等诸多优点,是目前制备热障涂层最实用的一种途径。
采用等离子喷涂法制备热障涂层,所涉及的物理和化学过程十分复杂,其中包括等离子射流的生成,射流与喷涂颗粒之间的传热、传质及动量传递,颗粒与基体的相互作用,以及热障涂层的形成等,使得理论研究工作长时间滞后于技术应用的发展,许多喷涂现象的实质仍有待深入探索。所以长期以来,工程师们一直都是凭经验和直觉甚至反复试验去加工,以获得所期望的热障涂层,这样往往费工费钱。随着计算机软、硬件技术的发展,利用数值模拟的方法进行虚拟加工,以寻求更优的工艺方案,不仅可以提高产品加工质量,而且可以缩短研制周期,降低成本。
不仅如此,热障涂层的服役环境极度恶劣,通常要承受热冲击高温氧化、热腐蚀等多种侵害,加之涂层本身为多层结构,不同层之间的材料性能不同,使热障涂层在实际服役过程中承受着复杂的应力场作用,最终导致热障涂层易过早剥落失效。通过数值模拟方法对涂层的关键热物理性能、力学性能及服役寿命等进行有效预测,揭示其失效机理,确定其主控因素,进而改进涂层制备工艺,具有十分重要的工程指导价值。
