热障涂层厚度及厚度不均热无损检测的数值模拟

研究了热障涂层(TBC)厚度及厚度不均的红外热无损检测(IRTNDT)的建模和基于有限单元法的数值模拟。在柱坐标系下以轴对称模型描述热障涂层结构的瞬态热传导,建立相应的物理模型及有限元模型。用有限元分析软件ANSYS计算涂层结构受热脉冲激励后的温度场,研究热无损检测可检信息参数(如最大温差和最大对比度)与厚度特征参数(厚度差和厚度)的关系。结果表明,在涂层公称厚度一定时,最大温差和最大对比度与厚度差呈非线性关系,它们随着厚度差的增大而增大;在涂层厚度差一定时,最大温差和最大对比度与涂层公称厚度呈非线性关系,它们随着涂层公称厚度的增加而减小。利用计算所得的可检信息参数与厚度特征参数的关系可以反向估计陶瓷层厚度差和厚度。这些研究结果为热障涂层厚度及厚度不均的红外热无损检测及表征提供了基本理论依据。     

涡轮叶片多层结构热障涂层隔热效果分析

为了获得叶栅流场作用下涡轮叶片热障涂层隔热性能,建立了带多层结构热障涂层的高压涡轮导叶模型,采用热流耦合方法计算热障涂层系统温度场,对叶片不同部位的涂层隔热效果,以及厚度和主流进口温度对隔热效果的影响进行研究。结果表明:涂层实际隔热效果在叶片吸力面最好,在尾部最差,在压力面沿顺流方向渐好。虽然涂层表面温度不同,但涂层内部的温降幅度与涂层表面温度的相关性不大,在吸力面涂层内部的温度降幅斜率最大,在尾部最小。隔热面层厚度每增加0.1 mm使合金平均温度约降低30℃。涂层隔热效果对主流进口温度较敏感,主流进口温度的变化与基底合金温降指标变化呈线性关系。     

换热系数对热机耦合作用下热障涂层性能的影响

通过有限元计算分析了热机耦合作用下的热障涂层不同的内壁换热系数对涂层系统隔热效果和应力分布的影响,为选择合适的内壁换热系数提供了参考作用.计算结果表明:随着内壁换热系数的增加模型中的温度随之降低,内外壁的温差以非线性曲线的形式增加;在热氧化生成层附近产生了较大的应力,并且主应力值随着换热系数的增加而增大.      

对流换热对ZrO_2-8%Y_2O_3涂层系统力学性能的影响

为了研究等离子喷涂ZrO2-8%(质量分数)Y2O3热障涂层系统在对流换热过程中的力学性能,以涡轮机叶片热障涂层为分析对象,结合传热学理论,通过热-结构耦合有限元计算方法对涂层与环境换热过程进行模拟仿真,重点分析换热系数以及升温速率对叶片残余应力演变的影响。研究结果表明,涂层上表面对流换热系数越大,在升温结束时残余应力越大。对流换热系数固定时,随着升温速率的提高,最大残余应力先增大再减小,给出了对流换热系数以及升温速率的合理区域。     

基于柱状结构的热障涂层隔热性能数值研究

基于四参数随机生长方法和热阻网络方法开发了涂层微结构构建和隔热性能分析软件,构建了各向异性孔隙结构的柱状涂层微结构,着重研究了柱状孔隙大小、数量和细长化对柱状涂层有效导热系数和隔热性能的影响。结果表明:提高涂层的孔隙率是增强涂层隔热性能的有效途径;孔隙率一定时,随着柱状孔隙直径减小,其隔热性能增强,并且结构更加稳定;孔隙率一定时,随着柱状孔隙细长化,其隔热性能在一定程度上会有所减弱,但其稳态导热温度分布更加均匀,结构更加稳定。     

界面形貌对热障涂层残余应力影响的三维有限元分析

采用有限元方法,建立了考虑界面形貌的热障涂层系统三维有限元模型,通过计算从高温冷却到室温时界面处的残余应力的变化,研究了界面形貌对热障涂层系统残余应力的影响。结果表明,氧化层（TGO）厚度不仅会影响残余应力大小,还会影响其应力状态,氧化层越厚,其残余应力水平越高;界面幅值增大会使黏结层（BC）–TGO界面残余应力增大,但其对陶瓷层（TC）–TGO界面处残余应力的影响较为复杂;增大界面波长会在一定程度上减小残余应力水平;三维混合粗糙度对残余应力的影响较小。因此,氧化层厚度、界面幅值和波长会较大程度上影响热障涂层的残余应力,进而影响热障涂层系统的稳定性,且氧化层厚度对涂层失效位置具有决定性意义。     

预热温度对热障涂层表面裂纹形成的影响

先进航空发动机与燃气轮机热端部件的服役温度不断提高，对热障涂层性能提出了越来越高的要求。在涂层中引入一定密度的周期分布表面裂纹，可以同时提升其隔热性能和服役寿命，是一种极具潜力的先进热障涂层技术。然而，目前关于这种涂层中表面裂纹形成的力学机制研究尚不充分。以等离子喷涂热障涂层表面裂纹的形成过程为对象，发展了考虑热应力的多层结构剪切滞后模型，推导了表面裂纹形成前陶瓷层内应力场与位移场的解析解，获得了不同预热温度下陶瓷层内平均应力、平均应变能密度及总应变能随涂层厚度的演变规律，发现：在表面裂纹形成前，陶瓷层内平均应力和平均应变能密度不随其厚度改变，而总应变能随其厚度线性增大，这说明陶瓷层内总应变能是衡量能否在涂层中形成表面裂纹的关键参量；在其他喷涂参数不变的情况下，预热温度越高，表面裂纹越容易形成。本文阐明了预热温度对表面裂纹形成的影响，为实现高热障和高应变容限热障涂层的可控制备提供了理论指导。     

丁羟三组元固体推进剂燃烧工况下氧化锆热障涂层烧蚀与隔热性能分析

开展了丁羟三组元固体推进剂燃烧工况下几种不同工艺的氧化锆热障涂层烧蚀、隔热性能研究。通过正交试验,揭示了氧化锆热障涂层烧蚀、隔热性能影响因素(基体厚度、粘接层种类、面层种类及面层厚度)之间的主次关系,将为后续氧化锆热障涂层应用于固体火箭发动机领域提供了设计依据。     

热障涂层对涡轮动叶温度及应力的影响研究

为研究热障涂层对于涡轮叶片服役温度和应力的影响,以燃气轮机第一级涡轮动叶为研究对象,基于流热固耦合的数值仿真方法,分析了有无热障涂层及不同热障涂层厚度下,叶片的流动传热特征以及叶身应力响应变化规律,并将温度和应力分析结果与真实服役叶片热障涂层剥落和基体裂纹萌生失效等故障情况进行对比分析。结果表明：数值仿真方法可以揭示涡轮叶片实际运行中的温度和应力分布特征;热障涂层可有效降低叶片基体的平均温度,但是对于局部高温区,若没有良好的冷却设计配合,热障涂层的保护效果有限;热障涂层厚度变化未改变叶片高应力区位置,随着厚度增加,叶片危险部位的应力逐渐下降;对于本文的研究对象,与无热障涂层情况相比,0.4mm热障涂层可使得叶片高应力区域最大等效应力下降30～60MPa。     

多孔纤维陶瓷的各向异性热导率研究

确定陶瓷涂层各向异性热导率是航空发动机热障防护的重要研究内容。本文从多孔陶瓷的各向异性结构出发,建立导热微元体模型,通过计算特定排列方式的多孔介质结构不同方向的热阻,建立了热导率与多孔结构的关系,推算出材料各向异性热导率值。并由各向异性陶瓷热障涂层的隔热效果数值模拟,阐明了材料性能的优越性,以上方法可为指导陶瓷涂层的热防护设计提供参考。     

梯度热障涂层的设计

 采用电子束物理气相沉积方法 (EB PVD)制备了梯度热障涂层,其结构设计为NiCoCrAlY粘结层 /Al₂O₃ YSZ过渡层 /YSZ陶瓷层。YSZ陶瓷层的结构为柱状晶结构,Al₂O₃ YSZ梯度过渡层为梯度微孔结构。采用有限元方法对梯度热障涂层进行热应力分析,优化了Al₂O₃ YSZ梯度过渡层的组成。计算结果表明,梯度涂层的内应力显著降低,而且界面及其附近应力和应变变化较平缓。过渡层厚度的增加有利于降低涂层内应力和缓和涂层界面处的应力集中。     

涡轮发动机高温隔热涂层内的传热研究

高温环境中的金属部件, 通常采用表面涂层技术以降低金属材料的温度和热力梯度。氧化锆、陶瓷等涂层材料对热辐射是半透明的, 因此, 高温下涡轮发动机的热分析需要考虑涂层内辐射换热的影响。本文考虑了各种界面辐射特性: 不透明界面和半透明界面, 镜反射和漫反射。采用光线踪迹 /节点分析法计算了吸收、各向同性散射性介质内的辐射传递系数。结合控制容积法数值模拟了涡轮叶片和燃烧室衬垫涂层内的辐射与导热瞬态耦合换热。      

热障涂层在涡轮叶片应用中的热防护有效性

建立了含热障涂层的涡轮叶片简化传热模型,通过理论推导建立了热障涂层的有效性判据,并基于此进行了热防护有效性分析。理论分析与数值实验表明:由热障涂层带来的复合传热表面传热系数的变化会显著影响热障涂层的热防护效果；在发动机典型工况下,对于处于高温区的高压涡轮叶片前缘处,热障涂层引起的复合传热表面传热系数变化率最大值的范围为1.25%~10.83%以满足热防护有效性要求。在工程中应特别注意由于热障涂层的应用带来的复合传热表面传热系数的变化,否则会导致热防护失效,甚至产生反效果。      

航空发动机热障涂层材料体系的研究

介绍了热障涂层的结构、陶瓷表层材料和中间粘结层的材料发展趋势。热障涂层的结构已由经典的双层结构向成分、结构连续变化的梯度结构发展,涂层的寿命有明显的提高。制备方法中电子束物理气相沉积技术具有明显优势。热障涂层表层材料的最佳成分是(质量百分数6%～8%)Y2O3部分稳定的ZrO2陶瓷材料。粘结层体系发展的一个重要趋势是能同时保证力学性能和抗氧化性能的低Al含量NiCoCrAlY。     

Effect of Sintering on Thermal Conductivity and Thermal Barrier Effects of Thermal Barrier Coatings

Thermal barrier coatings (TBCs) are mostly applied to hot components of advanced turbine engines to insulate the components from hot gas. The effect of sintering on thermal conductivity and thermal barrier effects of conventional plasma sprayed and nanostructured yttria stabilized zirconia (YSZ) thermal barrier coatings (TBCs) are investigated. Remarkable increase in thermal conductivity occurs to both typical coatings after heat treatment. The change of porosity is just the opposite. The grain size of the nanostructured zirconia coating increases more drastically with annealing time compared to that of the conventional plasma sprayed coating, which indicates that coating sintering makes more contributions to the thermal conductivity of the nanostructured coating than that of the conventional coating. Thermal barrier effect tests using temperature difference technique are performed on both coatings. The thermal barrier effects decrease with the increase of thermal conductivity after heat treatment and the decline seems more drastic in low thermal conductivity range. The decline in thermal barrier effects is about 80 °C for nanostructured coating after 100 h heat treatment, while the conventional coating reduces by less than 60 °C compared to the as-sprayed coating.     

热障涂层残余应力的相移云纹法测试

本文针对的热障涂层（ＴＢＣ）的细微结构和微小变形特点,提出了一种新的高精度的相移云纹图像处理实验技术,把它同释放法相结合,利用高温云纹光栅,对电子束—物理气相沉积（ＥＢ－ＰＶＤ）热障涂层的残余应力分布进行了测试研究,并与其它方法进行了比较分析。     

等离子涂层涡轮导向叶片热疲劳寿命预测研究

针对等离子涂层涡轮导向叶片材料的变形特点,引入了粘塑性本构模型.进行了涂层高温氧化实验、带涂层构件热疲劳实验及有限元模拟研究.基于研究结果,建立了可以体现氧化损伤与热疲劳损伤耦合效应的寿命预测模型.计算分析了带涂层涡轮导向叶片的稳态温度场、涂层隔热效果和基于宏观尺度的应力应变场,研究了宏、细观有限元计算结果间的转换关系,提出了等效系数的方法,对涡轮导向叶片表面涂层的热疲劳寿命进行了预测.寿命预测结果合理,方法可行.      

等离子涂层热疲劳失效模式及失效机理研究

开展了等离子涂层构件热疲劳实验研究,对失效过程及失效模式进行考察,分析了对失效起主导作用的应力分量.针对陶瓷层材料引入粘塑性本构模型,对涂层的热疲劳进行数值模拟研究.分析表明,氧化层厚度为2 μm时,陶瓷层波峰位置容易萌生Ⅰ型横向裂纹,界面中部偏上位置容易萌生Ⅱ型横向裂纹;氧化层厚度为8 μm时,陶瓷层内部法向应力主导横向裂纹的扩展;不同厚度的氧化层内部将形成较高的应变能密度.给出了等离子涂层内部裂纹形成过程及机理.      

热障涂层在航空发动机涡轮叶片上的应用研究

从热障涂层在涡轮叶片的应用需求出发,研究了陶瓷热障涂层的材料与制备方法,介绍了热障涂层的基本原理和主要工艺特点,解决了热障涂层在喷涂过程中所产生的堵塞气膜孔、减小排气面积、降低疲劳性能、遮挡等方面的难点问题,给出了热障涂层叶片在试验和试车中的考核结果。