熱障涂層與環(huán)境障涂層的案例
熱障涂層/環(huán)境障涂層/斷裂仿真模擬...長期跟學收徒
收徒
<p>個人長期從事功能涂層/防護涂層設計及失效分析研究，在斷裂仿真方面累積十多年經(jīng)驗，在熱障涂層和環(huán)境障涂層方向研究上取得了很多成果，大家可以參考上兩個帖子，對于材料斷裂仿真、失效機理分析、新結構設計等方面具有獨特見解，在模型調(diào)試、分析技巧、收斂性輔助等方面有很多經(jīng)驗可以教學分享，長期收徒，長期教學，如有想短期內(nèi)提高斷裂分析技術或長期跟學探討學習的，可以加站內(nèi)私信我或者加V?，<span style="color: rgb(25, 27, 31);">132</span>另外7927涂層8359方向如果想學習如何設計、計算、分析、發(fā)表SCI論文，也可以溝通交流，長期跟學后基本可以保證1年發(fā)表1篇SCI論文，模擬需要用到的插件/子程序都免費分享和教學。
展開 熱障涂層和環(huán)境障涂層方向有限元模擬學習收徒！
<p>個人從事熱障涂層和環(huán)境障涂層涂層方向近十年，主要研究涂層的破壞機理和結構設計，在國際知名期刊上已發(fā)表SCI論文30余篇，主持國自然、博后基金等多項課題，對相關子程序開發(fā)、模型建立、程序調(diào)試、論文書寫、投稿/修稿/審稿等有一定經(jīng)驗，現(xiàn)公開收徒自愿學習該方向的涂層研究者，也希望大家共同探討中能解決更多的學術難題，共同進步！下面附上一些論文題目及圖片，<span style="color: rgb(25, 27, 31);">有意向或感興趣的可以扣扣105*75*93*923、唯心132*7927*83*59。</span>與該方向無關者勿擾。</p><div contenteditable="false" width="100%">
<img src="https://img.jishulink.com/upload/202305/c9791b01610242f4b3b9ae74dcd9a794.jpg" title="1.jpg" alt="1.jpg" style="max-width: 760px; width: 385px; height: 228px;" width="385" height="228" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/upload/202305/c9791b01610242f4b3b9ae74dcd9a794.jpg?image_process=/format,webp/resize,w_385" data-pc-src="https://img.jishulink.com/upload/202305/c9791b01610242f4b3b9ae74dcd9a794.jpg?
展開 降低航空發(fā)動機環(huán)境障涂層孔隙率
航空發(fā)動機服役環(huán)境極為苛刻，包括高溫氧化、水氧腐蝕、粒子沖蝕等多重因素耦合作用。針對未來航空發(fā)動機陶瓷基復合材料熱端部件環(huán)境障涂層，其主要面臨環(huán)境腐蝕物侵蝕的挑戰(zhàn)。目前，環(huán)境障涂層通常采用大氣等離子噴涂、等離子噴涂-物理氣相沉積方法來制備，但鑒于其沉積機理，涂層中避免不了存在少量的開孔及裂紋，這就為環(huán)境中的腐蝕介質(zhì)提供了滲透路徑，造成涂層失效。
來自廣東省科學院新材料研究所與西安交通大學的研究人員合作，提出了壓滲熔融鋁的方法來封堵涂層中的開孔及微裂紋，重點從熱力學角度分析了熔融鋁在孔隙中浸滲的困難性。結果表明，通過控制外壓可獲得良好的浸滲效果，這一研究結果有望為制備高致密環(huán)境障涂層提供新思路。相關論文以題為“Infiltrationthermodynamics in wrinkle-pores of thermal sprayed coatings”發(fā)表在Applied Surface Science (董琳為第一作者、劉梅軍和張小鋒為通訊作者)。
論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169433220336060
圖 TBCs的截面組織
該研究首先基于真實涂層的復雜孔隙結構建立了開放孔隙幾何模型——“褶皺孔”，以及熔體浸滲的物理模型和數(shù)學模型。通過數(shù)學模型計算獲得了熔體能量隨浸滲深度的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在浸滲過程中熔體能量出現(xiàn)多個平衡態(tài)，只有克服平衡態(tài)之后的能壘，熔體才能繼續(xù)浸滲。進而通過計算驅(qū)動力、分力等，得知外壓降低能量、驅(qū)動浸滲，內(nèi)壓升高能量、阻礙浸滲，而造成能壘的主要因素是彎曲液面附加壓即毛細力，如圖1所示。
展開 兩種不同熱障涂層材料的隔熱特性研究
1.2.2 試驗方法
在外界環(huán)境溫度為常溫25℃，外部空氣為自然對流，爐內(nèi)溫度為400℃時對試片的結構進行了試驗測試研究。
試驗使用了樹脂填充熱障涂層和氧化鋯熱障涂層，首先通過在基體表面設置黏結層，然后在黏結層表面進行等離子噴涂。樹脂填充熱障涂層和氧化鋯熱障涂層的物性參數(shù)見表1。樹脂填充熱障涂層試片和氧化鋯熱障涂層試片分別如圖3和圖4所示。
在5mm厚鋼板一側涂覆5mm厚涂層，將涂覆涂層的一側緊貼于加熱爐窗口處，加熱爐內(nèi)部升溫至400℃，試片另一側的金屬板與大氣相通，并保持2h。
2 研究結果及分析
通過對涂有樹脂填充熱障涂層和氧化鋯熱障涂層的鋼板在不同涂層厚度下進行數(shù)值仿真和試驗測試，得到兩種涂層材料在不同涂層厚度下對試片鋼板溫度的影響規(guī)律。
圖3 樹脂填充熱障涂層試片
Fig.3 Resin filled thermal barrier coating test piece
圖4 氧化鋯熱障涂層試片
Fig.4 Zirconia thermal barrier coating test piece
2.1 不同涂層材料結果分析
2.1.1 仿真結果分析
通過對涂有相同厚度的兩種熱障涂層進行仿真分析，得到兩種涂層材料對試片鋼板溫度分布的影響。
樹脂填充熱障涂層和氧化鋯熱障涂層仿真結果如圖5和圖 6 所示。由圖 5 和圖 6 可見，樹脂填充熱障涂層情況下，試片鋼板的最低溫度為94.6℃，最高溫度為147.8℃；氧化鋯熱障涂層情況下，試片鋼板的最低溫度為138.0℃，最高溫度為239.2℃。由此可見，樹脂填充熱障涂層的隔熱性能優(yōu)于氧化鋯熱障涂層。
展開 
廣東新材料所：PS-PVD熱障涂層沉積機理研究進展(2014-2021年)
傳統(tǒng)熱障涂層制備方法包括大氣等離子噴涂(APS)和電子束-物理氣相沉積(EB-PVD)，近年來由于發(fā)動機設計要求不斷提高，發(fā)展一種新型熱障涂層制備技術十分迫切。近十年來，國內(nèi)外逐漸提出并發(fā)展了一種等離子噴涂-物理氣相沉積(PS-PVD)新型熱障涂層制備技術，通過工藝調(diào)控可實現(xiàn)非視線沉積，并獲得層狀、柱狀及其混合結構涂層，顯示出巨大的應用前景。廣東省科學院新材料研究所以下一代航空發(fā)動機渦輪葉片熱障涂層等國家需求為導向，圍繞PS-PVD技術開展了長達8年的基礎研究，在7YSZ熱障涂層沉積機理方面認識不斷加深，總結如下。
研究團隊前期發(fā)現(xiàn)，羽毛柱狀7YSZ涂層的形成過程經(jīng)歷基元形成(晶粒生長)和涂層序構(羽毛柱狀形成)兩個步驟(圖1)。晶粒生長包括非均勻形核和均勻形核，非均勻形核是指當噴涂距離在焰流中部位置時，7YSZ分子、離子或原子以異質(zhì)基體為表面發(fā)生非均勻形核，其涂層結構與基體預熱溫度有關。高基體溫度及高表面能材料使涂層趨向島狀模型生長，涂層呈柱狀結構，相反低基體溫度及低表面能材料時，涂層趨向于層狀模型生長，涂層為柱狀晶和細晶混合結構或完全為細晶結構。均勻形核是指當噴涂距離較遠即在等離子焰流尾端，氣相7YSZ粒子在焰流中依靠能量變化發(fā)生均勻形核形成晶胚，晶胚長大形成納米晶粒，納米晶粒在表面能的作用下團聚形成團簇結構，最終在基體上涂層為疏松的細晶結構。(J. Euro Ceram.,2016, 36:697-703; Chinese J. Aero., 2018, 31:820-825; 中國科學：技術科學, 2019, 49:1-12)。
展開 這種新型航發(fā)熱障涂層材料最高使用溫度可達1800℃，全世界只有我國在做！
在基體合金表面涂覆熱障涂層是有效提升其抗高溫能力的途徑之一 。昆明理工大學材料科學與工程學院馮晶教授的團隊目前正在研究一種新型陶瓷熱障涂層材料，有望使我國的熱障涂層技術在國際上產(chǎn)生跨越式、領跑式的發(fā)展。（結尾有彩蛋！）
航空制造網(wǎng)：熱障涂層對于航空發(fā)動機的重要性體現(xiàn)在哪些方面？國內(nèi)熱障涂層的研究及應用處于怎樣的水平？
馮晶：航空發(fā)動機的重要技術是兩盤一片和熱障涂層，熱障涂層是四大關鍵核心技術之一。航空發(fā)動機的效率取決于溫度，溫度越高效率也越高，但提高發(fā)動機的使用溫度，要考慮材料是否耐受，目前發(fā)動機燃氣的燃燒溫度可以達到1500~1600℃，到達材料表面的溫度大概是1100℃左右。未來對于航空發(fā)動機的要求將越來越高，其使用溫度可能達到1800℃、2000℃，甚至更高。那面臨的一個問題，就是如何保證材料在這么高的溫度下還能正常運轉(zhuǎn)。目前發(fā)動機最常用的材料是鎳基超高溫合金，其服役的最高溫度是1100℃左右，而且這個指標事實上還很難完成，那就需要使用熱障涂層讓其達到使用要求。
發(fā)動機葉片主要通過空冷的方法實現(xiàn)降溫，但我們還希望它能承受更多熱量，那就需要在鎳基高溫合金表面做一層陶瓷熱障涂層。
陶瓷的好處在于：它的熔點和強度比基體材料要更高，熱導率也更低，而低的熱導率會使燃氣和基體之間產(chǎn)生一個溫度梯度，這個溫度梯度值越大，材料所能承受的溫度極限就越高。
傳統(tǒng)的熱障涂層材料一般使用的是氧化鋯基陶瓷，在不同的使用部位和厚度的情況下，可以使材料承受的溫度降低50~150℃。氧化鋯基陶瓷的綜合性能非常好，廣泛應用于民航客機和軍用飛機，它對于航空飛行器的發(fā)展非常重要，是航空發(fā)動機上重要的熱障涂層材料。
展開 