通过跨尺度集成计算方法捕获和可视化热障涂层材料的相变介导热应力

发布时间：2024-05-24 16:33:32 栏目：精选知识

导读 热障涂层(TBC)广泛应用于燃气涡轮发动机以获得较高的工作温度并提高发动机效率。陶瓷层相变伴随较大的体积差，造成热应力集中，最终导致TBC...

热障涂层(TBC)广泛应用于燃气涡轮发动机以获得较高的工作温度并提高发动机效率。陶瓷层相变伴随较大的体积差，造成热应力集中，最终导致TBC脱落失效。因此，需要定量评估陶瓷层中相变引起的热应力的大小和分布。



昆明理工大学材料科学家团队最近通过第一性原理计算与有限元模拟相结合，建立了一种考虑顶层陶瓷材料相变的热障涂层热应力高通量多尺度评估方法。该方法通过多场耦合定量评估和可视化热循环下真实热障涂层结构的热应力，可为涂层材料的寿命预测和逆向设计提供重要的理论基础和指导。

该团队于 2024 年 4 月 8 日在《先进陶瓷杂志》 上发表了他们的研究成果。

“在本报告中，我们开发了一种高通量多尺度多层系统热应力评估方法，该方法通过将第一性原理计算与有限元模拟相结合，考虑了顶层陶瓷材料的相变。该方法可以定量评估和可视化基于真实结构的TBCs中的热应力，考虑到热循环下的实际服役环境。有限元模拟中输入的热物理性质是通过第一性原理计算得出的，其中多尺度方法可以考虑相变和温度的影响，同时减少通过实验获取热物理性质的成本和时间。”昆明理工大学材料科学与工程学院教授、研究兴趣集中在高通量多尺度计算和机器学习领域的年轻专家种晓宇说。

直接观察陶瓷涂层的相变过程具有较大的挑战性，作为涂层失效的主要原因之一，热应力缺乏定量的测试和表征手段，高温服役环境也增加了相变热应力测试的难度。“多物理场耦合的有限元模拟可以直观、定量地评估热障涂层的热应力，但有限元模拟所需的热物理性质均来自于实验测量，忽略了相变和温度的影响。”该论文第一作者、种小宇教授指导的博士生甘猛迪说。

这里，我们开发了一种高通量多尺度评估多层系统中热应力的方法，该方法通过将第一性原理计算与有限元模拟相结合来考虑顶层陶瓷材料的相变。该方法可以基于真实结构定量评估和可视化TBCs中的热应力，考虑到实际的热循环使用环境。有限元模拟中输入的热物理性质是通过第一性原理计算得出的，其中多尺度方法可以考虑相变和温度的影响，同时减少通过实验获取热物理性质的成本和时间。在本文中，引入稀土钽酸铁(RETaO 4)作为陶瓷层，结果表明热应力在相变温度附近迅速增加，特别是在TBCs_GdTaO 4系统中。这种热应力的不连续性可能源于相变温度附近杨氏模量和热导率的大幅变化。 TBCs_NdTaO 4和 TBCs_SmTaO 4体系表现出明显的温降梯度和最小的热应力波动，有利于延长TBCs的使用寿命。该方法有助于预测失效机理，并为TBCs材料的逆向设计以获得低热应力系统提供理论指导。