Termiska barriärbeläggningar (TBC) används i stor utsträckning i gasturbinmotorer för att uppnå förhöjda arbetstemperaturer och förbättra motoreffektiviteten. Fasövergången för det keramiska skiktet åtföljs av en stor volymskillnad, vilket orsakar koncentrationen av termisk stress, vilket så småningom leder till att TBC:erna faller av och misslyckas. Därför är det nödvändigt att kvantitativt utvärdera storleken och fördelningen av termisk spänning som induceras av fasövergången i det keramiska lagret.
Ett team av materialforskare ledda av professor Xiaoyu Chong från Kunming University of Science and Technology i Kunming, Kina, etablerade nyligen en multiskalig utvärderingsmetod med hög genomströmning för termisk spänning i TBCs som tar hänsyn till fasövergången för de översta keramiska materialen genom att koppla först- principberäkningar med finita elementsimuleringar.
Metoden utvärderar och visualiserar kvantitativt termisk spänning hos de verkliga TBC-strukturerna under termisk cykling genom flerfältskoppling, vilket kan ge en viktig teoretisk grund och vägledning för livsförutsägelse och omvänd design av beläggningsmaterial.
Teamet har publicerat sitt arbete i Journal of Advanced Ceramics .
"I den här rapporten utvecklar vi en multiskaleutvärderingsmetod med hög genomströmning för termisk spänning i flerskiktiga system, som tar hänsyn till fasövergången för de översta keramiska materialen genom att koppla första-principberäkningar med finita element-simuleringar. Detta tillvägagångssätt kan kvantitativt utvärdera och visualisera termisk stress i TBC baserat på verkliga strukturer, med tanke på den faktiska servicemiljön som utsätts för termisk cykling, säger Chong, professor vid fakulteten för materialvetenskap och teknik vid Kunming University of Science and Technology (Kina), vars forskningsintressen fokuserar på fält av högkapacitets flerskalig datoranvändning och maskininlärning.
"De termofysiska egenskapernas indata i finita elementsimuleringar beräknas genom beräkningar av första principer, där flerskalemetoden kan överväga inverkan av fasövergång och temperatur och samtidigt minska kostnaden och tiden för att erhålla termofysiska egenskaper genom experiment," fortsatte han.
Det är utmanande att direkt observera fasomvandlingsprocessen för keramisk beläggning. Som en av huvudorsakerna till att beläggningen misslyckas är termisk stress föremål för brist på kvantitativa test- och karakteriseringsmetoder, och högtemperaturmiljön ökar också svårigheten med termisk stresstestning av fastransformation.
"De finita elementsimuleringarna i kombination med flera fysikaliska fält kan visualisera och kvantitativt utvärdera termisk stress hos TBC. De termofysiska egenskaperna som krävs för finita elementsimuleringar härleds dock från experimentella mätningar, som ignorerar effekterna av fasövergång och temperatur", säger Mengdi Gan , den första författaren till uppsatsen och en Ph.D. student under handledning av prof. Chong.
I studien utvecklar forskarna en multiskaleutvärderingsmetod med hög genomströmning för termisk spänning i flerskiktssystem, som tar hänsyn till fasövergången för de översta keramiska materialen genom att koppla första principberäkningar med finita elementsimuleringar.
Detta tillvägagångssätt kan kvantitativt utvärdera och visualisera den termiska stressen i TBC baserat på verkliga strukturer, med tanke på den faktiska servicemiljön som utsätts för termisk cykling. De termofysiska egenskaperna som matas in i finita elementsimuleringar beräknas genom beräkningar av första principerna, där flerskalemetoden kan beakta inverkan av fasövergång och temperatur och samtidigt minska kostnaden och tiden för att erhålla termofysiska egenskaper genom experiment.
I detta arbete, sällsynta jordartsmetaller tantaliter (RETaO4 ) introduceras som keramiska skikt, och resultaten visar att termisk spänning genomgår en snabb eskalering nära fasövergångstemperaturen, särskilt i TBCs_GdTaO4 systemet. Denna diskontinuitet i termisk spänning kan härröra från de stora förändringarna i Youngs modul och värmeledningsförmåga nära fasövergångstemperaturen.
TBCs_NdTaO4 och TBCs_SmTaO4 system uppvisar anmärkningsvärda temperaturfallsgradienter och minimala termiska spänningsfluktuationer, vilket är fördelaktigt för att förlänga livslängden för TBC:erna. Detta tillvägagångssätt underlättar förutsägelsen av felmekanismer och ger teoretisk vägledning för den omvända designen av TBC-material för att erhålla system med låg termisk spänning.
Andra bidragsgivare inkluderar Mengdi Gan, Tianlong Lu, Wei Yu, Jing Feng från fakulteten för materialvetenskap och teknik vid Kunming University of Science and Technology i Kunming, Kina.
Mer information: Mengdi Gan et al, fånga och visualisera den fasövergångsmedierade termiska spänningen hos termiska barriärbeläggningsmaterial via en integrerad beräkningsmetod i flera skalor, Journal of Advanced Ceramics (2024). DOI:10.26599/JAC.2024.9220864
Tillhandahålls av Tsinghua University Press
