功能梯度热障涂层内热传导与微尺度辐射输运研究
发布时间：2020-12-26 10:00
热障涂层（thermal barrier coatings,TBCs）是一种喷涂在高温作业的合金部件上的高性能隔热涂层,它被广泛应用于燃气轮机,尤其是航空发动机叶片的隔热。传统热障涂层是由陶瓷顶层和合金粘结层组成的双层涂层,陶瓷顶层使其具有良好的隔热性能,粘结层则使涂层不会剥落,然而在长期高温服役中,陶瓷层和粘结层热膨胀系数（coefficient of thermal expansion,CTE）的不匹配会使传统热障涂层发生剥落等失效行为。为解决上述问题并获得更好的机械性能,人们设计出了功能梯度热障涂层（functionally graded thermal barrier coatings,FGTBCs）。另一方面,机械性能和传热机理是热障涂层研究的核心,对于传统热障涂层的机械性能,传统热障涂层内的传热机理、功能梯度热障涂层的机械性能,众多学者已做了深入透彻的研究,但功能梯度热障涂层内的传热机理却没有人研究过。为此本文通过大气等离子喷涂（air plasma spraying,APS）制备了超过50件不同的传统热障涂层和YSZ/NiCoCrAlY功能梯度热障涂层样品并对样品进行了微...
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：97 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
–2传统热障涂层机械性能的研究现状
第一章绪论上海交通大学硕士学位论文总的来说，对热障涂层的机械性能的研究已经非常成熟。热障涂层的机械性能与其内部复杂而多样的微结构、与服役温度及涂层内温度的分布均有很大关联。1.2.2传统热障涂层内的传热热障涂层的用途是高效隔热，因而通过研究热障涂层内的传热机理从而预测、改善其隔热性能很有意义。图1–3[1]形象展示了传统热障涂层内的传热过程:高温燃气通过热辐射和热对流将热量传递给热障涂层的陶瓷顶层（图中PorousOxide）；其中，辐射热流在陶瓷层内经孔隙散射部分穿入金属粘结层（图中BondCoat）并被吸收，对流换热则经热传导通过陶瓷层、粘结层及超合金叶片（图中Superalloy），最终被叶片底部的孔冷气流（图中EngineCoolingAir）带走。图1–3传统热障涂层的结构与隔热原理[1]Figure1–3StructureofaconventionalTBCandtheprincipleofthermalinsulation纵观热量在传统热障涂层和涡轮叶片内的传递过程，顶部多孔瓷顶层内的传热最为复杂和关键。实际上，底部超合金叶片内的传热是一侧具有对流边界条件一侧具有导热边界条件的金属导热；粘结层内的传热以导热为主，伴随少量的辐射吸收；多孔瓷顶层内的传热则是复杂的。首先，由于YSZ等陶瓷材料在热障涂层服役温度下热辐射所集中的波段（1μm～8μm）是半透明的，陶瓷层内的传热是导热-辐射相互耦合的。其次在制备过程中，陶瓷层内会形成许多包括孔隙、裂纹在内的微结构，这些微结构对光子和声子（热辐射和热传导的载流子）的散射造成了涂层内载流子输运的复杂性。同时，陶瓷的隔热能力远强于金属，热障涂层的隔热能力也主要取决于陶瓷顶层的隔热性能。—4—
上海交通大学硕士学位论文第二章样品制备与微结构分析表征图2–3本文制备的传统和功能梯度热障涂层样品Figure2–3ConventionalTBCandYSZ/NiCoCrAlYFGTBCsamplespreparedforthethesis层、传统热障涂层和功能梯度热障涂层，其中部分关键样品的信息如表2–3，其中（A）类样品为无基底YSZ，其热辐射特性与传统热障涂层基本等价，（B）类样品为三层结构的功能梯度热障涂层，（C）类样品为五层结构的功能梯度热障涂层，（D）类样品为无基底功能梯度材料涂层，（E）类样品为带有不锈钢基底的功能梯度材料涂层，它们被用于第四章中基于激光闪射分析的热导率研究。本文实际上制备了更多的样品，表2–3仅列出了在本文各数据图图例中出现的部分样品。由于涂层厚度对载流子能否穿透该涂层有决定性影响，对于每一种功能梯度材料和每一种不同结构，本文都分别设计了具有不同厚度的样品和层级。如2.1节中论述，孔隙率与梯度热障涂层传热特性有很大关联，对于每一种功能梯度材料和每一种不同结构，本文也都分别设计了具有不同孔隙率的样品和层级。相比于陶瓷粉末，合金粉末在喷涂中更难形成孔隙，故表中为100%YSZ层设计孔隙率为10%～15%而100%NiCoCrAlY层的孔隙率只能设计为1%～5%。图2–3通过照片展示了所制备的样品及这些样品的储存，样品被放置于一个密封性良好的亚克力盒中，盒子置于恒温恒湿的微纳尺度光学实验室。图中编号为0、10、13、25A、35A分别为上述（A）～（E）五类样品的实例。嵌于黑色圆盘上的条状样品是通过线切割制备的涂层横截面，这些横截面样品被用来进行SEM分析。图2–3左下角第二张小图中的纽扣电池状样品则是通过雕刻机切割而成，是用于激光闪射分析的样品实例。—17—
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于ABAQUS用户子程序UMAT的TGO氧化过程数值模拟方法(英文)[J]. 丁军,黄霞,李文中,王国超. 机床与液压. 2013(24)
[2]激光感应复合快速熔覆功能梯度YSZ/NiCrAlY涂层的研究(英文)[J]. 周圣丰,戴晓琴,熊征,张天佑. 中国激光. 2013(04)
本文编号：2939483
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：97 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
–2传统热障涂层机械性能的研究现状
第一章绪论上海交通大学硕士学位论文总的来说，对热障涂层的机械性能的研究已经非常成熟。热障涂层的机械性能与其内部复杂而多样的微结构、与服役温度及涂层内温度的分布均有很大关联。1.2.2传统热障涂层内的传热热障涂层的用途是高效隔热，因而通过研究热障涂层内的传热机理从而预测、改善其隔热性能很有意义。图1–3[1]形象展示了传统热障涂层内的传热过程:高温燃气通过热辐射和热对流将热量传递给热障涂层的陶瓷顶层（图中PorousOxide）；其中，辐射热流在陶瓷层内经孔隙散射部分穿入金属粘结层（图中BondCoat）并被吸收，对流换热则经热传导通过陶瓷层、粘结层及超合金叶片（图中Superalloy），最终被叶片底部的孔冷气流（图中EngineCoolingAir）带走。图1–3传统热障涂层的结构与隔热原理[1]Figure1–3StructureofaconventionalTBCandtheprincipleofthermalinsulation纵观热量在传统热障涂层和涡轮叶片内的传递过程，顶部多孔瓷顶层内的传热最为复杂和关键。实际上，底部超合金叶片内的传热是一侧具有对流边界条件一侧具有导热边界条件的金属导热；粘结层内的传热以导热为主，伴随少量的辐射吸收；多孔瓷顶层内的传热则是复杂的。首先，由于YSZ等陶瓷材料在热障涂层服役温度下热辐射所集中的波段（1μm～8μm）是半透明的，陶瓷层内的传热是导热-辐射相互耦合的。其次在制备过程中，陶瓷层内会形成许多包括孔隙、裂纹在内的微结构，这些微结构对光子和声子（热辐射和热传导的载流子）的散射造成了涂层内载流子输运的复杂性。同时，陶瓷的隔热能力远强于金属，热障涂层的隔热能力也主要取决于陶瓷顶层的隔热性能。—4—
上海交通大学硕士学位论文第二章样品制备与微结构分析表征图2–3本文制备的传统和功能梯度热障涂层样品Figure2–3ConventionalTBCandYSZ/NiCoCrAlYFGTBCsamplespreparedforthethesis层、传统热障涂层和功能梯度热障涂层，其中部分关键样品的信息如表2–3，其中（A）类样品为无基底YSZ，其热辐射特性与传统热障涂层基本等价，（B）类样品为三层结构的功能梯度热障涂层，（C）类样品为五层结构的功能梯度热障涂层，（D）类样品为无基底功能梯度材料涂层，（E）类样品为带有不锈钢基底的功能梯度材料涂层，它们被用于第四章中基于激光闪射分析的热导率研究。本文实际上制备了更多的样品，表2–3仅列出了在本文各数据图图例中出现的部分样品。由于涂层厚度对载流子能否穿透该涂层有决定性影响，对于每一种功能梯度材料和每一种不同结构，本文都分别设计了具有不同厚度的样品和层级。如2.1节中论述，孔隙率与梯度热障涂层传热特性有很大关联，对于每一种功能梯度材料和每一种不同结构，本文也都分别设计了具有不同孔隙率的样品和层级。相比于陶瓷粉末，合金粉末在喷涂中更难形成孔隙，故表中为100%YSZ层设计孔隙率为10%～15%而100%NiCoCrAlY层的孔隙率只能设计为1%～5%。图2–3通过照片展示了所制备的样品及这些样品的储存，样品被放置于一个密封性良好的亚克力盒中，盒子置于恒温恒湿的微纳尺度光学实验室。图中编号为0、10、13、25A、35A分别为上述（A）～（E）五类样品的实例。嵌于黑色圆盘上的条状样品是通过线切割制备的涂层横截面，这些横截面样品被用来进行SEM分析。图2–3左下角第二张小图中的纽扣电池状样品则是通过雕刻机切割而成，是用于激光闪射分析的样品实例。—17—
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于ABAQUS用户子程序UMAT的TGO氧化过程数值模拟方法(英文)[J]. 丁军,黄霞,李文中,王国超. 机床与液压. 2013(24)
[2]激光感应复合快速熔覆功能梯度YSZ/NiCrAlY涂层的研究(英文)[J]. 周圣丰,戴晓琴,熊征,张天佑. 中国激光. 2013(04)
本文编号：2939483
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