YSZ皮秒激光打孔材料损伤机制与综合质量控制研究

论文摘要

钇稳定氧化锆（YSZ）作为热障涂层材料被广泛地应用在涡轮叶片制造中,由于YSZ材料在加工过程中易产生材料损伤,因此对气膜孔的激光加工提出了挑战。皮秒激光由于其加工热效应小、对材料无选择性等特点,成为了近年来气膜孔加工领域的研究热点。为了探究皮秒激光加工YSZ材料的损伤机制与综合质量评价,本文开展了以下几方面的研究工作。首先,以YSZ材料的相变特性为切入点,通过材料力学性能的变化以及裂纹产生情况,研究皮秒激光加工YSZ材料的损伤行为,分析不同打孔环境对YSZ材料损伤的影响规律,从而获得最佳皮秒激光打孔的加工环境;然后,建立YSZ材料皮秒激光打孔仿真模型,通过计算温度场结果,获得相变分布规律,获得相变应力-裂纹的评价关系,揭示皮秒激光加工YSZ材料的损伤机制;最后,以控制微孔损伤为前提,对打孔几何质量进行综合优化,从而获得兼顾损伤控制和几何精度的激光加工工艺方法。通过本文对于皮秒激光加工工艺的研究,选择水下打孔环境,在厚度为0.5mm的3mol%YSZ片上加工出直径为400μm的微孔,孔锥度为0.55°,入口、出口圆度误差≤6%,孔周围未观测到裂纹产生。同时,将此研究成果应用于热障涂层材料的打孔加工,获得了高品质的气膜孔,为有效控制涂层材料损伤提供新工艺方法。

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摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 热障涂层

1.2.1 热障涂层的组成

1.2.2 钇稳定氧化锆材料

1.3 脆硬材料激光打孔

1.3.1 超快激光加工

1.3.2 激光加工环境

1.4 激光打孔研究现状

1.4.1 基于实验的激光微孔加工研究

1.4.2 有限元仿真技术在激光打孔中的应用

1.5 研究现状总结

1.6 论文主要研究内容

1.6.1 研究目标

1.6.2 研究内容

1.6.3 章节安排

第二章 YSZ皮秒激光打孔材料损伤研究

2.1 YSZ皮秒激光打孔实验

2.1.1 皮秒激光加工系统

2.1.2 激光打孔环境设置

2.2 YSZ材料损伤检测评价

2.2.1 形貌观测结果

2.2.2 相变与应力测试结果

2.2.3 力学性能测试结果

2.2.4 组织成分测试结果

2.3 加工环境对材料损伤分析

2.3.1 加工环境影响

2.3.2 材料损伤控制方法

2.4 本章小结

第三章基于相变的YSZ皮秒激光打孔有限元仿真

3.1 YSZ皮秒激光打孔的物理过程

3.2 仿真数学模型描述

3.2.1 模型建立假设

3.2.2 传热学控制方程

3.2.3 相变转化控制方程

3.2.4 相变应力控制方程

3.3 数值仿真模型的建立

3.4 数值仿真结果

3.4.1 孔几何特征

3.4.2 激光打孔过程温度场

3.4.3 t-m相变分布

3.4.4 相变应力分布

3.5 裂纹评价准则

3.6 材料损伤仿真预测

3.7 本章小结

第四章 YSZ皮秒激光打孔综合质量评价及优化

4.1 激光打孔优化实验设计

4.1.1 正交实验设计

4.1.2 孔综合质量评价方法

4.2 孔几何质量检测方法

4.3 孔综合质量评价结果

4.3.1 单一质量评价结果

4.3.2 综合质量评价结果

4.4 优化结果及验证

4.5 本章小结

第五章热障涂层皮秒激光打孔工艺应用

5.1 热障涂层材料制备

5.2 TBC加工质量效果

5.2.1 表面形貌观测

5.2.2 材料损伤控制

5.3 YSZ与TBC加工差异分析

5.4 本章小结

第六章总结与展望

6.1 全文工作总结

6.2 主要创新点

6.3 进一步工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的学术成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 封得财

导师: 沈洪

关键词: 激光打孔,钇稳定氧化锆,皮秒激光,材料损伤,数值仿真

来源: 上海交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,无机化工,无线电电子学

单位: 上海交通大学

分类号: TQ134.12;TN249

DOI: 10.27307/d.cnki.gsjtu.2019.001067

总页数: 74

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