Forskere etablerer en multiskala-evalueringsmetode med høj kapacitet til termisk stress i termiske barrierebelægninger

Termiske barrierebelægninger (TBC'er) anvendes i vid udstrækning i gasturbinemotorer for at opnå forhøjede arbejdstemperaturer og forbedre motorens effektivitet. Faseovergangen af ​​det keramiske lag er ledsaget af en stor volumenforskel, hvilket forårsager koncentrationen af ​​termisk stress, hvilket i sidste ende fører til, at TBC'erne falder af og svigter. Derfor er det nødvendigt at kvantitativt evaluere størrelsen og fordelingen af ​​termisk spænding induceret af faseovergang i det keramiske lag.

Et team af materialeforskere ledet af prof. Xiaoyu Chong fra Kunming Universitet for Videnskab og Teknologi i Kunming, Kina etablerede for nylig en high-throughput multiskala evalueringsmetode for termisk stress i TBC'er, der tager højde for faseovergangen af ​​de øverste keramiske materialer ved at koble først- principberegninger med finite element simuleringer.

Metoden vurderer og visualiserer kvantitativt termisk spænding af de virkelige TBC'ers struktur under termisk cykling ved hjælp af flerfeltskobling, hvilket kan give et vigtigt teoretisk grundlag og vejledning for levetidsforudsigelse og omvendt design af belægningsmaterialer.

Holdet har offentliggjort deres arbejde i Journal of Advanced Ceramics .

"I denne rapport udvikler vi en high-throughput multiskala evalueringsmetode for termisk spænding i flerlagssystemer, som tager højde for faseovergangen af ​​de øverste keramiske materialer ved at koble første-princippets beregninger med finite element simuleringer. Denne tilgang kan kvantitativt evaluere og visualisere termisk stress i TBC'er baseret på reelle strukturer, i betragtning af det faktiske servicemiljø, der er udsat for termisk cykling," sagde Chong, professor ved Fakultet for Materialevidenskab og Teknologi ved Kunming University of Science and Technology (Kina), hvis forskningsinteresser fokuserer på inden for high-throughput multiscale computing og machine learning.

"De termofysiske egenskabers input i finite element-simuleringer beregnes ved hjælp af første-principper-beregninger, hvor multiskalametoden kan overveje indflydelsen af ​​faseovergang og temperatur og samtidig reducere omkostningerne og tiden for at opnå termofysiske egenskaber ved eksperimenter," fortsatte han.

Det er udfordrende direkte at observere fasetransformationsprocessen af ​​keramisk belægning. Som en af ​​hovedårsagerne til belægningsfejl er termisk stress underlagt mangel på kvantitative test- og karakteriseringsmetoder, og højtemperaturservicemiljøet øger også vanskeligheden ved termisk stresstestning af fasetransformation.

"De finite element simuleringer kombineret med flere fysiske felter kan visualisere og kvantitativt evaluere termisk stress af TBC'er. De termofysiske egenskaber, der kræves til finite element simuleringer, er dog afledt af eksperimentelle målinger, som ignorerer virkningerne af faseovergang og temperatur," sagde Mengdi Gan , den første forfatter af papiret og en ph.d. studerende vejledt af prof. Chong.

I undersøgelsen udvikler forskerne en high-throughput multiskala-evalueringsmetode for termisk spænding i flerlagssystemer, som tager højde for faseovergangen af ​​de øverste keramiske materialer ved at koble førsteprincipberegninger med finite element-simuleringer.

Denne tilgang kan kvantitativt evaluere og visualisere den termiske spænding i TBC'er baseret på virkelige strukturer, i betragtning af det faktiske servicemiljø, der er udsat for termisk cykling. De termofysiske egenskaber, der indtastes i finite element-simuleringer, beregnes ved hjælp af førsteprincipberegninger, hvor multiskalametoden kan overveje indflydelsen af ​​faseovergang og temperatur og samtidig reducere omkostningerne og tiden for at opnå termofysiske egenskaber ved eksperimenter.

I dette arbejde, sjældne jordarters tantalitter (RETaO₄ ) introduceres som keramiske lag, og resultaterne viser, at termisk stress undergår en hurtig eskalering nær faseovergangstemperaturen, især i TBC'erne_GdTaO₄ system. Denne diskontinuitet i termisk stress kan stamme fra de store ændringer i Youngs modul og varmeledningsevne nær faseovergangstemperaturen.

TBCs_NdTaO₄ og TBCs_SmTaO₄ systemer udviser bemærkelsesværdige temperaturfaldsgradienter og minimale termiske spændingsudsving, som er gavnlige for at forlænge levetiden for TBC'erne. Denne tilgang letter forudsigelsen af ​​fejlmekanismer og giver teoretisk vejledning til det omvendte design af TBC-materialer for at opnå systemer med lav termisk stress.

Andre bidragydere omfatter Mengdi Gan, Tianlong Lu, Wei Yu, Jing Feng fra Fakultetet for Materialevidenskab og Teknologi ved Kunming University of Science and Technology i Kunming, Kina.

Flere oplysninger: Mengdi Gan et al., Indfangning og visualisering af den faseovergangsmedierede termiske spænding af termiske barrierebelægningsmaterialer via en integreret beregningsmetode på tværs af skala, Journal of Advanced Ceramics (2024). DOI:10.26599/JAC.2024.9220864

Leveret af Tsinghua University Press