热障涂层微观形貌的热力行为研究及数值模拟

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1、国内图书分类号:O341密级：公开国际图书分类号：西南交通大学研究生学位论文热障涂层微观形貌的热力行为研究及数值模拟年级二零一五级姓名刘冬冬申请学位级别工学硕士专业力学指导老师唐达培教授二零一八年五月ClassifiedIndex:O341U.D.C:SouthwestJiaotongUniversityMasterDegreeThesisRESEARCHANDNUMERICALSIMULATIONOFTHERMALMECHANICALBEHAVIOROFTHERMALBARRIERCOATINGMICROMORPHOLOGYGrade:2015Candidate

2、:LiuDongdongAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpeciality:MechanicsSupervisor:Prof.TangDapeiMay.2018西南交通大学硕士研究生学位论文第I页摘要热障涂层因其优异的性能，在航空航天，燃气化工等领域得到广泛的应用。热障涂层是通过一定的制备工艺将低热导率材料涂覆在热端部件上而形成的一种表面涂层，其高隔热、抗高温的性能提升了热端部件的工作温度。热障涂层服役环境非常复杂恶劣，不仅受外部高温高压载荷作用，其内部也因材料热物理性能不同而存在着较大的热应力。当前为了更

3、高的燃气效率以及更大的发动机推重比，对热障涂层的工作温度要求进一步提高。原有的涂层材料与制备工艺难以满足对热障涂层工作温度要求的提升，探究新的材料与改善制备工艺已成为当前研究热点。制备工艺决定涂层的微观形貌，如何改善制备工艺则需研究涂层微观形貌对涂层热力行为的影响。通过分析具有更好隔热性能和力学性能的热障涂层的微观形貌，为改善涂层的制备工艺提供参考意见。热障涂层的隔热性能和力学性能与涂层的微观形貌有关：孔隙的存在影响着涂层的隔热性能与涂层内的应力分布；界面形貌变化则关系着涂层内不同相层的结合强度，进而影响着涂层的失效与使用寿命。本文通过理论分析结合有限元模拟的方法

4、，建立随机孔隙模型分析了涂层中孔隙的存在对涂层隔热性能的影响，探究界面形貌与界面处应力分布的关系，结果发现：1．统一孔隙半径，孔隙率越大则涂层的隔热性能越好；统一孔隙率，一定程度的改变孔隙半径，孔隙半径越大则涂层的隔热性能越好。2．孔隙率与孔隙半径相同的情况下，一定范围内孔隙距离陶瓷层表面越远则涂层的隔热性能越好；孔隙与界面之间的距离变化则不影响涂层的隔热性。3．对比不同形貌的孔隙，发现孔隙对热流的阻碍作用不同，一定程度的孔隙细长化有利于提高涂层的隔热性能。4．具有一定间隔的单侧凸起界面模型相对于正弦形界面以及连续凸起的界面模型，界面凸起处应力集中有所减弱。5．孔

5、隙距离界面越近，则对涂层界面的应力分布影响越严重；孔隙越大，对涂层界面处的应力影响越大。孔隙与涂层界面的距离变化对涂层的隔热性能没有影响，而孔隙对界面应力分布影响较大。在制备涂层时，应使孔隙远离涂层界面。关键词：热障涂层；孔隙形貌；界面形貌；热力行为。西南交通大学硕士研究生学位论文第II页AbstractThermalbarriercoatingshavebeenwidelyappliedinaerospace,gasandchemicalindustrybecauseoftheirexcellentperformance.Thermalbarriercoatin

6、gisasurfacecoatingformedbySpraylowthermalconductivitymaterialonhotendofturbinebyacertainpreparationprocess.Thermalbarriercoatingshavehighheatinsulationandhightemperatureresistance,whichimprovestheworkingtemperatureofthehotendofturbine.Theserviceenvironmentofthethermalbarriercoatingisv

7、erycomplicatedandthethermalbarriercoatingisnotonlyaffectedbytheexternalhightemperatureandhighpressure,butalsohaslargethermalstressintheinteriorofthecoatingbecausethematerialhasdifferentthermalphysicalproperties.Atpresent,inordertogethighergasefficiencyandlargerenginethrustratio,itisne

8、cessa