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。      

热障涂层喷涂质量微焦点CT检测

采用微焦点X射线源对热障涂层样品进行了高分辨率X射线成像研究,采用多尺度对比度增强算法提高了热障涂层与基体之间的对比度.X射线图像显示热障涂层各处厚度差异较大,热障涂层内部可能存在大量孔隙.通过微焦点计算机层析成像(CT)对样品进行了高分辨率CT扫描与重建,得到了样品的CT重建图像.从热障涂层CT图像观察到热障涂层内部存在大量孔隙,且不同层孔隙尺寸、数量不同.结合3个坐标方向的切片图像分析了热障涂层深度方向的热障涂层厚度,得到了热障涂层厚度的二维分布,测量得到热障涂层平均厚度约为40μm.对沿热障涂层深度方向850~1131层切片图像,利用可视化软件VGstudio MAX得到了热障涂层内部孔隙三维分布.研究结果表明:微焦点CT可用于热障涂层制备工艺质量检测.      

TGO非均匀增长对热障涂层应力演化和破坏机理的影响

采用内聚力模型和热生长氧化层(TGO)非均匀增长子程序,数值模拟了在热循环载荷作用下热障涂层(TBC)内部应力演化规律和开裂行为。涂层失效过程首先是源自陶瓷层(TC)内近波峰位置的拉伸和切应力共同主导的陶瓷层Ⅰ、陶瓷层Ⅱ混合型裂纹;随着循环数增加,则转向由TC内近波峰位置的切应力主导的Ⅱ型裂纹和波峰波谷中间的涂层厚度方向拉伸应力主导的Ⅰ型裂纹。整体非均匀增长和波谷均匀增长模式下的最大拉伸应力经过一定循环数后几乎不再随循环数而增加;而在波峰均匀增长和整体均匀增长模式下,最大拉伸应力则会随着循环数增加持续增长。整体非均匀增长、波谷非均匀增长模式下,20个循环后最大切应力出现在近波峰位置,分别为-16241 MPa和-15428 MPa;而整体波峰均匀增长和整体均匀增长模式下,最大切应力为-11382 MPa和-11198 MPa。对于波谷均匀增长和整体非均匀增长模式,在9个循环后出现界面裂纹。而对于波峰均匀增长和整体非均匀增长模式,在第17个循环出现界面裂纹。     

热载荷下热障涂层表面裂纹-界面裂纹的相互作用

针对热障涂层在热循环载荷下陶瓷层表面和氧化层/黏结层界面形成裂纹而导致涂层失效的问题,采用扩展有限元和内聚力单元建立陶瓷层表面裂纹与氧化层/黏结层界面裂纹相互作用的有限元模型,得到不同裂纹附近应力分布和开裂程度,分析了这2种裂纹之间的相互影响,结果表明:表面裂纹对界面裂纹影响较大,而界面裂纹对表面裂纹影响较小;氧化层几何参数以及材料参数对2种裂纹演变的影响研究结果表明:氧化层正弦幅值和厚度主要影响界面裂纹,在热载荷下,氧化层越粗糙,界面裂纹扩展速度越快。黏结层弹性模量主要影响界面裂纹扩展程度,而陶瓷层弹性模量主要影响表面裂纹扩展程度,对界面裂纹间接地产生较大影响。     

电子束物理气相沉积LaZrCeO热障涂层微结构与热循环性能

热障涂层(thermal barrier coatings,TBCs)是一种由金属黏结层、热生长氧化物层和陶瓷面层组成的金属-陶瓷复合系统,在先进的航空发动机领域上引起了广泛的关注,但目前先进热障涂层的热循环寿命提升和失效行为研究仍然是一个难点。本研究采用电子束物理气相沉积技术(electron beam physical vapour deposition,EB-PVD)制备LaZrCeO/YSZ双陶瓷层热障涂层,研究热障涂层的相结构、显微组织和失效行为。结果表明:LaZrCeO/YSZ涂层为烧绿石与萤石结构组成的复合涂层材料,LaZrCeO/YSZ涂层的微观结构由羽毛状纳米结构和柱内孔隙组成;在1100℃热循环条件下,LaZrCeO/YSZ双陶瓷层热障涂层展现了良好的热循环寿命;热循环实验后,由于应力累积的作用裂纹在热生长氧化层(TGO)中萌生并扩展,包括水平裂纹和垂直裂纹两大类,进而引起整个涂层体系的不稳定,最终导致涂层失效。     

等离子涂层典型界面损伤与破坏的数值模拟

基于界面损伤力学思想,提出了三结点界面单元的概念,和传统界面单元相比,具有能够表征任意形状界面法线方向的优点,将改进的单元通过ABAQUS的用户子程序UEL与有限元软件进行了结合.考虑等离子涂层界面粗糙度的影响,模拟了余弦形界面在热循环载荷下的损伤以及在拉伸载荷下的破坏过程.计算结果表明,界面单元结点间位移出现不连续现象,体现了裂纹的逐渐张开过程,界面损伤随热循环次数的增加而增加,其中第一个循环造成的损伤最大,波峰处是界面断裂的危险位置,法向分离起主导作用;等离子涂层粗糙界面承受法向拉伸载荷的能力较平直界面显著增加.采用改进的界面单元模拟异质材料复杂形状界面的损伤与破坏是可行的,结果是合理的.      

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。     

隔层式多脉冲发动机点火延迟数值仿真研究

隔层式多脉冲发动机点火过程较常规发动机有很多不同,为获得端燃型隔层式多脉冲发动机的点火延迟特性及其影响因素,建立物理和数学模型,采用MpCCI耦合器作为FLUENT与ANSYS的数据交换平台,模拟点火燃气填充隔层和隔层变形过程;采用FLUENT计算多脉冲发动机火焰传播过程及填充过程。计算结果表明,与传统固体火箭发动机相比,在相同点火药量的情况下,多脉冲发动机的点火延迟大大增加;推进剂燃速越高,点火延迟越小;燃烧室自由容积越大,点火延迟越大;隔层材料对点火延迟影响较小。可以通过适当加大点火药量和提高燃速来减小点火延迟。     

表面介质阻挡放电等离子体体积力实验

采用粒子图像测速(PIV)技术,在2200,4800,7300,14600Pa空气压力条件下,测量了高频高压表面介质阻挡放电(surface dielectric barrier discharge,SDBD)等离子体诱导流场.根据速度场和N-S方程求解了等离子体体积力分布,分析了空气压力和激励器电压对等离子体体积力影响.实验结果表明:相同空气压力时,激励器电压越高体积力越大.相同激励器电压时,体积力随空气压力升高减小.在体积力分布区域,体积力方向一致,较大体积力区域分布于体积力方向线上游,流场高速流动区域紧挨较大体积力分布区域,位于体积力方向线下游.     

新型高温/超高温热障涂层及制备技术研究进展

简单介绍了先进航空发动机高温/超高温热障涂层(TBCs)的研究背景、意义和现状;简述了近年来国际上在新一代超高温TBCs方面的研究进展。重点介绍了近年来北京航空航天大学在新型高温/超高温TBCs方面的研究成果,包括新型超高温、高隔热陶瓷隔热层材料,1 150℃以上新型抗高温氧化金属粘结层材料,以及电子束物理气相沉积(EB-PVD)、等离子体激活EB-PVD(PA EB-PVD)和等离子物理气相沉积(PS-PVD)等新型制备工艺。最后对TBCs在未来高性能航空发动机上的应用及发展趋势进行了展望。