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(jī)的迅速發(fā)展，渦輪高溫葉片入口溫度也不斷提高。目前國(guó)外新型軍用燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)鉁囟燃哼_(dá)1 538 - 1 871℃，而現(xiàn)役發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫部件材料許用溫度均在1 100℃以下。目前先進(jìn)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(zhǎng)熱端部件壽命，提高燃機(jī)的綜合表現(xiàn)性能。高溫隔熱涂層也獲得了人們的廣泛關(guān)注與研究，并在地面燃機(jī)中獲得比較廣泛的應(yīng)用。
熱障涂層的一個(gè)主要性能指標(biāo)即為隔熱性能，通常用涂層的熱導(dǎo)率或涂層前后表面的溫差來(lái)衡量。目前主要從3個(gè)方面提高涂層隔熱性能:(1)開(kāi)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(yīng)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(qiáng)，但連接強(qiáng)度低，熱應(yīng)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?zé)釕?yīng)力較小，耐腐蝕，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。眾多學(xué)者對(duì)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(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了較多的研究;部分學(xué)者單獨(dú)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(duì)涂層隔熱能力的影響。本文針對(duì)涂層同時(shí)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(duì)其隔熱能力進(jìn)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(guān)，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(jì)算其有效導(dǎo)熱系數(shù)的大小，對(duì)于涂層結(jié)構(gòu)及工藝的設(shè)計(jì)及應(yīng)用都有指導(dǎo)價(jià)值。
基于4參數(shù)隨機(jī)生長(zhǎng)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(luò)法開(kāi)發(fā)了多孔材料導(dǎo)熱性能的分析軟件并進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，其結(jié)果可以為涂層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及制備提供參考依據(jù)。
2熱阻網(wǎng)絡(luò)法
熱阻網(wǎng)絡(luò)法基于多相材料內(nèi)部無(wú)規(guī)則的空間結(jié)構(gòu)，對(duì)熱量在材料內(nèi)的傳遞過(guò)程進(jìn)行研究以獲得其有效導(dǎo)熱系數(shù)。從無(wú)規(guī)律的'隨機(jī)空間結(jié)構(gòu)中提取統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的宏觀特征量，是一種比較客觀直接的問(wèn)題處理方法。本文應(yīng)用熱阻網(wǎng)絡(luò)法對(duì)基于涂層具體結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱問(wèn)題進(jìn)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(jī)生長(zhǎng)法是構(gòu)造多相多孔介質(zhì)的有效方法，它可以通過(guò)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(shè)系統(tǒng)中包括一個(gè)非生長(zhǎng)相和若干生長(zhǎng)相。為了驗(yàn)證本程序?qū)τ诓牧嫌行?dǎo)熱系數(shù)數(shù)值求解的有效性，計(jì)算了二維兩種不同導(dǎo)熱系數(shù)的材料，導(dǎo)熱串并聯(lián)模型的有效導(dǎo)熱系數(shù)，并將理論解和模擬解進(jìn)行對(duì)比。
復(fù)合材料導(dǎo)熱串并聯(lián)模型，其有效導(dǎo)熱系數(shù)的解析解與模擬，由誤差分析可知，本文方法能準(zhǔn)確地計(jì)算材料有效導(dǎo)熱系數(shù)。
4結(jié)論
(1)孔隙率對(duì)熱障涂層的有效導(dǎo)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(duì)其隔熱能力影響不顯著;溫度對(duì)涂層導(dǎo)熱系數(shù)的影響，與其致密基體在不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)密切相關(guān)。
(2)層狀結(jié)構(gòu)的隔熱能力明顯強(qiáng)于柱狀結(jié)構(gòu)，孔隙率為15%的涂層，層狀結(jié)構(gòu)導(dǎo)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(duì)涂層隔熱性能將有很大影響。
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