含FGM的涂层结构中热残余应力的分析与优化.PDF

热喷涂构件近年来在航空、电力等行业中得到了广泛的重视和应用。因为它充分利用了高温合金等基底材料的高韧性和陶瓷等涂层材料良好的耐高温、抗磨损、抗腐蚀性能。

涂层结构中，涂层和基底材料在热物理和力学性能等方面有较大的差异。这种材料性能的不匹配导致了界面处的变形和残余应力的集中。界面处的残余应力能够导致基底材料的塑性变形和涂层及界面内微裂纹等损伤的萌生，它的大小在很大程度上决定了构件的使用性能。Hsueh等人从实验、数值模拟和理论分析等不同角度研究了构件几何形状、材料性能等因素对构件中残余应力的分布和大小的影响。

通常，人们认为在涂层和基底的界面处引入一个中间的过渡层，将会减小材料性能不匹配引起的残余应力幅值，并且能够在一定的程度上增加界面的结合强度。但是，过渡层内的微结构和材料组份分布形式如何选择才能取得理想的效果呢?这就涉及到了优化的问题。在这一方面Kawasaki等都进行了初步的尝试，但是，他们都没有采用迭代优化的算法，只是在设计变量的变化空间选取了几点进行计算比较。无疑，这样的结果是极不充分的。

有鉴于此，本文采用有限元方法和一阶优化理论系统研究了FGM层内，各组分材料体积百分比的最优化分布形式，讨论了几何和材料等参数对过渡层优化结果的影响。