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基于熱障涂層微結(jié)構(gòu)的多孔隔熱材料傳熱研究論文
1引言
隨著航空及地面燃機的迅速發(fā)展，渦輪高溫葉片入口溫度也不斷提高。目前國外新型軍用燃氣渦輪發(fā)動機的燃氣溫度己達1 538 - 1 871℃，而現(xiàn)役發(fā)動機的高溫部件材料許用溫度均在1 100℃以下。目前先進的陶瓷熱障涂層能夠在工作環(huán)境下降低高溫零件溫度170℃左右，有效地延長熱端部件壽命，提高燃機的綜合表現(xiàn)性能。高溫隔熱涂層也獲得了人們的廣泛關注與研究，并在地面燃機中獲得比較廣泛的應用。
熱障涂層的一個主要性能指標即為隔熱性能，通常用涂層的熱導率或涂層前后表面的溫差來衡量。目前主要從3個方面提高涂層隔熱性能:(1)開發(fā)新熱障涂層材料和現(xiàn)有熱障涂層材料中添加摻雜物.(2)改變熱障涂層的微觀組織結(jié)構(gòu);(3)改變陶瓷層結(jié)構(gòu)。目前，涂層材料應用最廣泛的為6%-8%部分穩(wěn)定的ZrO2，等離子噴涂和物理氣相沉積方法是兩種比較成熟的制備方法。不管是用熱噴涂還是物理氣相沉積制備的熱障涂層都是各向異性的，非致密多孔狀介質(zhì)，其孔隙率在1%-20%之間熱噴涂涂層呈片層狀，物理氣相沉積涂層呈柱狀。層狀結(jié)構(gòu)隔熱能力強，但連接強度低，熱應力大，易剝落;柱狀結(jié)構(gòu)隔熱能力較差，熱膨脹性能好，高溫熱應力較小，耐腐蝕，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。眾多學者對改變YSZ粉末顆粒尺寸、向涂層中添加穩(wěn)定劑或摻雜物以降低其導熱系數(shù)進行了較多的研究;部分學者單獨研究了裂紋的形狀與方向、孔隙形狀與大小、界面的存在與否對涂層隔熱能力的影響。本文針對涂層同時存在大量不規(guī)則孔隙、裂紋、界面的具體微觀組織結(jié)構(gòu)，對其隔熱能力進行研究。熱障涂層的許多性能都與涂層的結(jié)構(gòu)特征相關，因此根據(jù)涂層的顯微結(jié)構(gòu)特征，如片層或柱狀結(jié)構(gòu)，孔隙的尺寸及大小，溫度等定量地計算其有效導熱系數(shù)的大小，對于涂層結(jié)構(gòu)及工藝的設計及應用都有指導價值。
基于4參數(shù)隨機生長法，構(gòu)造了各向同性、各向異性的層狀與柱狀YSZ熱障涂層的微觀結(jié)構(gòu)的幾何模型，利用熱阻網(wǎng)絡法開發(fā)了多孔材料導熱性能的分析軟件并進行了數(shù)值計算，其結(jié)果可以為涂層結(jié)構(gòu)的設計及制備提供參考依據(jù)。
2熱阻網(wǎng)絡法
熱阻網(wǎng)絡法基于多相材料內(nèi)部無規(guī)則的空間結(jié)構(gòu)，對熱量在材料內(nèi)的傳遞過程進行研究以獲得其有效導熱系數(shù)。從無規(guī)律的隨機空間結(jié)構(gòu)中提取統(tǒng)計學意義上的宏觀特征量，是一種比較客觀直接的問題處理方法。本文應用熱阻網(wǎng)絡法對基于涂層具體結(jié)構(gòu)的導熱問題進行數(shù)值研究。
3涂層微結(jié)構(gòu)構(gòu)造方法
四參數(shù)隨機生長法是構(gòu)造多相多孔介質(zhì)的有效方法，它可以通過參數(shù)調(diào)整控制生成介質(zhì)的形貌特征。該方法首先假設系統(tǒng)中包括一個非生長相和若干生長相。為了驗證本程序?qū)τ诓牧嫌行嵯禂?shù)數(shù)值求解的有效性，計算了二維兩種不同導熱系數(shù)的材料，導熱串并聯(lián)模型的有效導熱系數(shù)，并將理論解和模擬解進行對比。
復合材料導熱串并聯(lián)模型，其有效導熱系數(shù)的解析解與模擬，由誤差分析可知，本文方法能準確地計算材料有效導熱系數(shù)。
4結(jié)論
(1)孔隙率對熱障涂層的有效導熱系數(shù)有顯著影響，增大孔隙率能顯著地提高其隔熱能力;在相同的孔隙率下，孔徑對其隔熱能力影響不顯著;溫度對涂層導熱系數(shù)的影響，與其致密基體在不同溫度下的導熱系數(shù)密切相關。
(2)層狀結(jié)構(gòu)的隔熱能力明顯強于柱狀結(jié)構(gòu)，孔隙率為15%的涂層，層狀結(jié)構(gòu)導熱系數(shù)要比柱狀結(jié)構(gòu)有46%左右的降低。涂層材料的內(nèi)部微結(jié)構(gòu)對涂層隔熱性能將有很大影響。
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