强流脉冲电子束改性粘结层温度场研究

2024-03-06张志洋

材料保护 2024年2期

方洋，张志洋

(1.安徽民航机场集团，安徽合肥 231271； 2.孚能科技(赣州) 股份有限公司，江西赣州 341003)

0 前言

热障涂层(Thermal Barrier Coatings，TBC)技术被广泛应用在航空发动机相关高温部件材料上，即在现有耐热超合金材料表面上喷涂陶瓷层[1]。陶瓷涂层较低的热导率、较高的热膨胀系数能够使基体金属部件(燃烧室、涵道等) 维持在较低温度却有较高的实际工作温度，从而在提高发动机性能的同时使基体金属保持在低温区域[2]。为了缓解陶瓷层和基体的杨氏模量和膨胀系数差异过大，在表面陶瓷涂层和合金基体之间加了一层金属粘结层，主要成分是MCrAlY 抗高温氧化合金(M 为Ni 或Co)。 NiCoCrAlY 粘结层的抗氧化、抗高温、抗腐蚀等综合性能较好，因此许多航空发动机在生产时使用了NiCoCrAlY 作为热障涂层的粘结层[3-6]。

热障涂层产生裂纹失效的地方大多在陶瓷层与粘结层的结合处[7，8]。这是由于除Al 之外，Ni、Cr 等原子容易被氧化，它们产生的氧化物结构松散并且脆性很大，容易导致氧化层处产生裂纹乃至断裂。所以，应对热障涂层失效的关键就在于阻止氧气的扩散[9]。因此提出在粘结层表面利用强流脉冲电子束对其进行辐照，使粘结层浅表层发生熔化，使粘结层中Al 元素析出与氧气反应，以此来增加粘结层表面的氧化膜从而阻止氧气的扩散，提升粘结层耐氧化性能[10-12]。

改良电子束表面改性工艺以及研究材料性能的重要方法是研究强流脉冲电子束表面改性时材料表面的温度分布情况[13-16]。使用强流脉冲电子束对材料轰击时，材料表层会产生瞬态的温度分布[17]，生产实践与试验中粘结层温度变化过快，现有测试条件难以实现试验研究温度场测量，因此本工作采用有限元分析软件模拟强流脉冲电子束轰击粘结层的计算，对强流脉冲电子束轰击粘结层温度场进行初步分析[18，19]。

1 有限元模型温度场建立

1.1 ABAQUS 简介

ABAQUS 是以CAE 理论为基础研发的一款大型通用有限元计算分析软件，ABAQUS 软件中有一个内容涵盖十分广的单元库，这使得使用者在求解复杂问题上存在很大优势。由于ABAQUS 软件可模拟热传导分析，并且无论是在隐式求解上，还是在显示求解上，都能给出令人满意的结果[20]，本工作采用ABAQUS 进行温度场的相关模拟分析。

1.2 有限元物理模型建立

在建立模型前，做出如下的假设:

(1)电子束轰击时能量集中在表面，忽略样品表层的能量沉积，并且能量均匀分布在表面；

(2)粘结层属性各向同性；

(3)电子束改性假定在真空下进行，忽略样品表面的对流换热；(4)模型表面假设是平整的，采用平面界面形貌；(5)假定模型尺寸极小，可完全被强流脉冲电子束覆盖。

设立该三维模型，采用热传递分析，长宽高均为50 μm，如图1 所示。赋予该部件属性时，需要设定材料各向同性，具体粘结层MCrAlY 物理参数如表1。

表1 粘结层MCrAlY 的热物理参数Table 1 Thermophysical parameters of bonding layer MCrAlY

图1 粘结层模型Fig.1 Bond coating model

1.3 网格划分

有限元分析时，网格划分越密计算结果越趋近于真实解。要协调好计算精确度、计算效率、存储空间这3 个部分的权重，在满足需要的计算精确度的条件下，需尽量使得计算效率高、存储空间小。

该模型是热分析，需要采用二次传热六面体单元进行网格划分。由于在强流脉冲电子束轰击之下，粘结层中的温度影响仅为几十微米，为增加计算效率、节省存储空间，只需细分粘结层表面几十微米深度的网格。具体网格划分方式是20 节点单元整体布种，采用单精度选项控制大小，其中表层最小节点尺寸是2.5 μm×2.5 μm×0.4 μm，最大节点2.5 μm×2.5 μm×2.5 μm。具体网格划分如图2 所示。

图2 粘结层网格划分Fig.2 Bond coating mesh generation

1.4 载荷的施加及温度场的设定

由于建立的分析步是热传递，采用施加面热流密度载荷的方式来模拟强流脉冲电子束，即将强流脉冲电子束能量密度、脉冲时间等参数转化为面热流密度进行研究。强流脉冲电子束的能量密度、脉冲时间与热通量之间的关系满足下列函数:

由此可推导出不同能量和脉宽强流脉冲电子束所对应的热通量。几种不同脉冲电子束时间与热通量之间的关系见图3。

图3 6.0 μs 脉宽强流脉冲电子束热通量函数Fig.3 6.0 μs HCPEB heat flux function

温度预定义场设为293 K，即将初始环境温度设置为室温。定义完载荷后将载荷施加于粘结层表层，进行温度场模拟。

2 结果与讨论

2.1 温度场模拟

利用ABAQUS 模拟强流脉冲电子束轰击粘结层的过程，模拟完毕后采用NT11 节点温度场输出绘制云图，得出不同能量强度和脉宽的电子束轰击粘结层模拟出的温度场。如图4 所示，分析了不同能量强度、不同脉宽下对粘结层深度温度场和瞬时表面温度的影响。当4 J/cm2，0.8 μs 时，表面温度最高为1 010 K，当4 J/cm2，6.0 μs 时，表面温度最高为1 916 K，当6 J/cm2，6.0 μs 时，表面温度最高为2 867 K，当6 J/cm2，15.0 μs 时，表面温度最高为3 964 K。

图4 不同能量强度不同脉宽电子束轰击粘结层的温度场云图Fig.4 HCPEB temperature field of bonding layer at different energy intensity and pulse width

2.2 不同能量强度电子束对粘结层深度温度场的影响

图5 为不同能量强度脉宽相同(6.0 μs)的电子束轰击粘结层温度场分析。当脉宽都为6.0 μs 时，6 J/cm2能量强度时表面温度最高并且温度场辐射范围最大，在深度8.5 μm 时达到室温，4 J/cm2能量强度时温度场影响范围到深度约8.4 μm 为止。 2 J/cm2能量强度电子束到7.5 μm 时下降到室温。当脉宽都为6.0 μs 时，2 ～6 J/cm2能量强度的电子束在温度影响范围上差异并不大，都仅在8 μm 左右，表明粘结层材料的热传递效率较低，能量的转换效率不高。

图5 不同能量强度6.0 μs 电子束轰击粘结层的温度场Fig.5 6 μs HCPEB temperature field of bonding layer at different energy intensity

2.3 不同脉宽电子束对粘结层温度场的影响

图6 为不同脉宽电子束对粘结层温度场的影响。在同为4 J/cm2能量密度下，不同脉宽电子束随深度变化是不同的，温度场变化十分明显。其中6.0 μs 脉宽电子束轰击时表面温度最高，并且直到约8.4 μm 时才恢复室温293 K，即电子束轰击粘结层温度场变化范围是从表面到8.4 μm 深度。而1.5 μs 脉宽电子束轰击时表面温度次高，4.4 μm 深度以下恢复室温。 0.8 μs电子束影响温度范围最小，表面温度也最小，只能影响到3.4 μm 以内。

图6 不同脉宽4 J/cm2 能量密度电子束轰击粘结层的温度场Fig.6 4 J/cm2HCPEB temperature field of bonding layer at different pulse width

同样，对6 J/cm2能量的强流脉冲电子束不同脉宽情况下所造成的粘结层深度温度影响做了分析，如图7。当脉宽为15.0 μs 时表面温度最高，影响范围也最大，当深度达到15.3 μm 时恢复室温。 6.0 μs 时温度辐射范围达到8.5 μm，脉宽1.5 μs 时深度到4.4 μm 时回到室温。而脉宽为0.8 μs 时温度最低，且温度影响范围也最小，深度到3.8 μm 时即降至室温。由此可知，脉宽越大，粘结层最高温度和温度影响范围也越大。相同能量密度不同脉宽粘结层温度随深度变化的降低速率大体一致。

图7 不同脉宽6 J/cm2 能量密度电子束轰击粘结层的温度场Fig.7 6 J/cm2HCPEB temperature field of bonding layer at different pulse width

2.4 不同电子束随时间变化对粘结层表面温度场的影响

研究分析了不同脉宽、不同强度强流脉冲电子束随时间变化对粘结层表面温度场的影响，如图8。 0.8 μs 脉宽电子束轰击粘结层时的情况，4 J/cm2能量密度电子束轰击时表面温度到0.35 μs 时达到最大值，为1 010 K，当6 J/cm2时表面温度到0.34 μs 时到最大温度，为1 296 K。