1.5.3有限元相关软件的现状与发展 9

1.6本文主要研究内容及研究步骤 10

第二章热障涂层系统的有限元模型 12

2.1几何模型的建立以及网格模型的建立 12

2.2材料参数 13

2.3载荷以及边界条件 16

第三章对于不同孔隙情况下的热障涂层系统模型的分析与讨论 18

3.1引言 18

3.2有无孔隙的模型讨论 18

3.3不同孔隙的模型讨论 21

3.3.1孔的直径（d）的讨论 22

3.3.2陶瓷孔隙度（ρ）的讨论 24

3.3.3孔边的最小距离的讨论 25

结论 27

致谢 28

参考文献 29

第一章绪论

1.1研究背景

历史的车轮滚滚向前推进，人类社会的科学技术的发展水平也越来越高，工业生产对于能够在高温条件下工作的部件的需求越来越大，工业工艺对于热端部件的性能、效率以及使用寿命的要求也越来越高[1]。热障涂层材料最普遍的用途就是用来保护金属基底，这类金属基底有一个普遍地特性，就是不能承受温度非常高的工作环境。这种材料在很多重工业领域都有非常大的价值，不仅仅可以通过提高部件工作温度来增加工作效率，也可以增加机器的使用寿命。热障涂层需要在高温下工作，所以它的环境十分恶劣，也因此对于热障涂层材料的执行要求也十分的严格，需要材料满足高熔点、在室温和使用温度区间没有相变、热导率低、耐腐蚀、与高温合金有相近的热膨胀系数、与金属基底材料有较强的结合、涂层的微孔结构的烧结速度低等要求[2]。

1.2热障涂层的基本模型结构

热障涂层的基本模型结构主要有以下几种：

1.一些高端精密工业领域就需要愈来越高的耐热性，最主要的就是发动机，而发动机必然会在高温下工作，所以肯定要加上热障涂层材料，这样的材料的结构是双层的结构：最外面的一层为陶瓷层(TC)，隔绝外部的热量就是它的主要作用，此外由于是陶瓷结构，也能起到抗酸性腐蚀的作用；此外，内层为金属粘结层，这一层由于是粘结，所以就是用于改善接触体也就是基体与陶瓷层的物理相容性[3]。这也是热障涂层最经典的模型之一，但是这种模型的使用起来会有很多的顾虑，涂层不能太厚，太厚容易导致涂层脱落，而涂层太薄又不能达到想要的效果，厚度往往受到涂层使用寿命以及质量的限制。而且粘结层对TBCs的能够使用的年限也产生了很大的影响[4]。

2.为了应对陶瓷层脱落而发明的功能梯度涂层：功能梯度涂层是指涂层的高温合金成分和表面陶瓷成分从基地到陶瓷层是连续阶梯变化的。在1987年由日本发展出一种叫做FGC的涂层，FGC涂层一般是指由氧化锆和铝化物的混合物，但是这种模型的热障涂层并没有得到长足的发展，不仅仅是因为它不适合一些热膨胀系数太高的材料，这些材料会导致涂层热残余应力集中发生破坏，从而萌生裂纹，而且也因为这种涂层的制备方法太过复杂，从而限制了其发展[5]。

3.为了克服TBC所处的恶劣的环境Takahashi[6]等提出了复合涂层的概念，复合涂层之所以叫复合涂层，就是因为这种图层具有五层的涂层而且每层都有各自特有的功能。