有限元软件如何助力航空发动机耐磨涂层研发

热喷涂是指一系列过程，在这些过程中，细微而分散的金属或非金属的涂层材料，以一种熔化或半熔化状态，沉积到一种经过制备的基体表面，形成某种喷涂沉积层。它是利用某种热源（如电弧、等离子喷涂或燃烧火焰等）将粉末状或丝状的金属或非金属材料加热到熔融或半熔融状态，然后借助焰留本身或压缩空气以一定速度喷射到预处理过的基体表面，沉积而形成具有各种功能的表面涂层的一种技术。利用由燃料气或电弧等提供的能量。

热喷涂是国内外航空发动机公司使用应用最广泛的一种涂层制备技术，主要被用于耐磨、抗氧化、抗腐蚀、可磨耗封严、热障、防粘接、抗微振磨损、阻燃以及零件尺寸修复涂层的生产。物理气相沉积技术则用于发动机热端涡轮工作叶片和导向叶片部件的优质高温防护涂层制备。在国内，空心阴极电弧离子镀技术被用于MCrAlY和AlSiY抗氧化涂层的制造，电子束物理气相沉积技术用于热障涂层的生产。

在制备涂层的材料熔融、沉积过程中，由于粉末颗粒本身的淬火应力、其对已沉积涂层的冲击应力以及涂层与基体材料在热-机械性能方面差异造成的失配应变和热梯度效应，某些情况下还有后续加工和服役环境的作用，都会使涂层内不可避免地出现或大或小的残余应力。已有研究表明，残余应力的大小和分布严重影响着涂层零件整个体系的主要性能，如基体疲劳寿命、涂层结合强度、耐剥落以及硬度、耐磨、抗热冲击、热循环疲劳等性能，导致涂层开裂、翘起、剥落和分层，因此残余应力对涂层质量、使用性能、涂层构件精度和尺寸稳定性等都有重要影响，甚至导致涂层零件过早失效。

理论认为当残余应力超过涂层弹性极限时，拉伸应力会在垂直方向导致涂层开裂；一定的压应力是有利的，因其能使涂层裂纹闭合，改善疲劳性能，但压应力过大会导致涂层粘附性失效。在实际涂层生产中，残余应力的产生及其影响非常复杂。对于热喷涂涂层，其残余应力与喷涂气体流速、基体温度、涂层/基体体系的温度梯度、涂层材料性能、送粉速率、零件尺寸和几何形状、夹具、冷却、喷枪相对于零件的表面速率、走枪路径、涂层与基体厚度、弹性模量、热膨胀系数、热导率等诸多因素密切相关。

基体预处理、涂层后续加工及其服役工况对残余应力也有很大影响。例如表面粗糙化预处理可以提高界面结合强度，然而粗糙界面复杂形貌容易出现垂直于界面的残余拉应力，导致涂层破裂和剥离。精密磨削时，砂轮磨粒钝化导致小平面磨钝，使磨粒产生垂直于涂层表面的作用力，该力和摩擦力同时对涂层表面产生挤光作用，使涂层表面形成压应力。砂轮粘结剂对残余应力也有影响。

残余应力还与涂层零件的结构和喷涂区域有关。圆周喷涂的轴类零件或环形件，涂层结合强度足够大时，涂层破坏以开裂形式为主，其裂纹走向为圆周方向，也有轴向裂纹扩展的现象。小型零件内孔表面喷涂涂层，在喷涂、加工或试车考核等阶段都会出现整体涂层剥落的严重质量问题。对于薄壁件，涂层应力导致零件变形，对涂层零件尺寸精度造成影响，严重时会使零件超差报废。

试验中通常以激光光束为激励光源，采用显微光学系统对喇曼光谱进行观察，因此又称为显微激光喇曼光谱检测技术。该检测方法的空间分辨率可达到几个微米，检测范围仅是被测对象表面及其以下约50纳米的范围，检测精度非常高，适用于较薄的涂层。但是激光会导致涂层表面温度升高，因此要求被测涂层具有一定的耐热性能。

随着计算机计算能力的不断增强，数字模型，包括有限元模型，成为一种日益强大、有效且成本较低的模拟喷涂过程中涂层温度和应变衍生过程的计算工具。有限单元法的基本思想是将连续的结构体离散为有限个单元，并在每一个单元中设定有限个节点，将连续体看作是在节点处相连接的单元集 合体；将场函数的节点值作为基本未知量，并在每一单元中假设近似插值来表示单元中场函数的分布规律；利用力学变分原理来建立求解方程，以将一个连续域中的无限自由度问题化为离散域中的有限自由度问题来分析。

ABAQUS是HKS公司开发的一套功能强大的有限元工程模拟软件，被认为是功能最强的非线性CAE软件，它拥有丰富的单元库和与之相应的材料模型库，可以解决从相对简单的线性分析到极富挑战性的非线性模拟等多种问题，基本可以模拟计算任意实际形状、多种材料复杂结构的力学、热学和声学等方面的问题。在国外已广泛应用于航空航天、汽车、军事、土木工程、材料加工等各个行业。另一种使用广泛的有限元计算软件为ANSYS模拟软件。

有文献描述了喷涂态涂层内残余应力的几种模型。在有限元模拟多层涂层系统时，需要有正确的材料数据、多层及其界面的几何界面模型、足够的网格单元以及不同试验条件下的边界假设。对于热障涂层，将热生长氧化物、陶瓷面层及基体层视为弹性和粘性材料，粘结层则为弹性和粘性-塑性材料。其材料物理数据包括面层、热生长氧化物、粘结层和基体的热膨胀系数、杨氏模量和柏松比及其蠕变变形参数，另外还要具备不同温度下的粘结层应变-应力数据。在上述工作基础上，给出热载荷及边界条件，进行网格及其构成元素设计。

有限元法还可以对喷涂粉末颗粒沉积过程进行模拟计算，揭示表面粗糙度、温度等关键因素对涂层残余应力影响的热-机械变化过程。已有的有限元模型计算结果表明，在涂层厚度方向内存在应力梯度，即从涂层表面向内残余应力逐渐演变为面内压应力。

基体温度对应力影响明显，喷涂过程中基体温度升高，面层内残余应力会从拉应力向压应力转变。另外，残余应力与涂层热历史密切相关，在涂层体系热循环过程中，由于陶瓷层显微裂纹萌生和合金粘结层蠕变作用，残余应力高温松弛，则在涂层体系冷却到室温过程中，因为基体与陶瓷层热膨胀系数差异而导致面内二维压应力增加。