层级热障涂层系统制备过程中的热应力分析

Multi-Ceramic-Layers Thermal Barrier Coating system (MCL-TBCs) is considered as one of the most important choices for the next generation of Thermal Barrier Coating system, since it can provide more effective thermal insulation, erosion, phase transformations and sintering resistances to protect hot-section metal components inside the gas turbine engines under high operating temperature. Due to the complication of the fabrication process and significant thermal-mechanical properties differences between multi-layers of MCL-TBCs, thermal stresses with big magnitude will generate by large Coefficients of Thermal Expansion (CTE) mismatches inside MCL-TBCs. These thermal stresses has a significant effect on service performance and the service life of TBCs, but thermal stress evolution during the fabrication process is still unclear and the predicting model is still lack. In this project, the evolution of thermal stress of a new Double-Ceramic-Layers Thermal Barrier Coating system (DCL-TBCs) will be studied by analytical methods, then verified by experimental methods and numerical simulation methods. Heat transfer models will be established firstly to get temperature distribution inside DCL-TBCs, and then mechanic models will be proposed to calculate thermal stresses during the fabrication process of DCL-TBCs. The main targets of this project are: (1). Evolution of thermal stress in DCL-TBCs during the whole fabrication process; (2). The effects of spray factors, such as: the pre-heating temperature, coating pray speed and convective heat transfer. (3). The effects of geometry of DCL-TBCs.

层级热障涂层系统 (层级TBCs) 是高效热障涂层系统的重要发展方向之一。其复杂的制备工艺和材料构成导致其制备过程中的热应力更为复杂，与传统的热障涂层系统有着显著的差别。本项目拟以新型双陶瓷层热障涂层系统为研究对象，采用理论为主，实验和数值为辅的方法来研究这种复杂热障系统制备过程中的热应力演化规律。本项目将：首先，分析其制备过程中各阶段热应力的产生机制；其次，建立制备工艺参数和层级厚度等因素与其温度分布演化的函数关系，得到层级TBCs制备过程中的温度分布演化；之后，结合力学模型，得到预测层级TBCs系统制备过程中的热应力演化的理论模型；最后，研究不同制备工艺参数以及层级厚度时，其制备过程中的热应力演化规律，并采用实验和数值结合的方法进行验证。本项目将揭示制备工艺参数和层级厚度对层级TBCs制备过程中热应力的影响规律，为层级TBCs制备工艺改进提供理论基础。

层级热障涂层系统（Multi-Ceramic-Layers Thermal Barrier Coating system， MCL-TBCs）被认为是下一代热障涂层系统最重要的选择之一。 MCL-TBCs制备过程中会产生显著的热应力，这些热应力对其使用寿命和服役性能有着重要影响。在本项目中，我们选择了两种典型的MCL-TBCs作为研究对象，分别是：双层陶瓷层热障涂层系统（Double-Ceramic-Layers Thermal Barrier Coating System, DCL-TBCs）和功能梯度热障涂层系统（Functional Graded Thermal Barrier Coatings，FG-TBCs）。通过建立理论分析模型，分别深入研究了在DCL-TBCs和FG-TBCs制备过程中产生的淬火应力（涂层沉积过程中产生）和热失配应力（冷却过程中产生）。一些重要的参数对DCL-TBCs和FG-TBCs制备过程中的淬火应力以及热失配应力有着显著的影响。例如：几何参数，包括锆酸镧（La2Zr2O7，LZ）涂层与稳定氧化锆（ZrO2-8％Y2O3，YSZ）涂层的厚度比、陶瓷涂层厚度以及基底的厚度等； 制备工艺，包括基底的预热处理等。本项目中，我们系统的研究了这些因素对其制备过程中的热应力的影响。同时，还采用数值方法（生死单元法）对这两种涂层制备过程中的热应力进行了研究。此外，制备了一系列不同厚度比的LZ与YSZ涂层的DCL-TBCs试样，通过分析试样曲率和试样横截面的裂纹密度，研究了该厚度比对DCL-TBCs制备过程结束后的残余应力的影响。.通过本项目的研究，得到如下结论：.对于DCL-TBCs：结果表明，与热失配应力相比，淬火应力对总热应力有显着影响。增加YSZ与LZ涂层的厚度比，YSZ和LZ涂层内部的平均热应力会有所增加，因此LZ和YSZ涂层横截面的裂纹密度也有所增加。但是，DCL-TBCs试样的曲率比会有所降低。.对于FG-TBCs：结果表明，与典型TBCs制备过程中产生的淬火应力相比，FG-TBCs中的淬火应力集中显着降低; 功能梯度涂层和基底的厚度对淬火应力的产生有重要影响，调整这些几何参数对FG-TBCs的优化设计具有重要价值。