شبیه‌سازی و تحلیل لایه‌نشانی و بارگذاری حرارتی پوشش‌های سدّ حرارتی

نوع مقاله : مقاله مستقل

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد طراحی کاربردی، دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان، ایران

2 دانشیار گروه مکانیک جامدات، دانشکده مهندسی مکانیک داشنگاه صنعتی اصفهان، اصفهان، ایران

10.22044/jsfm.2020.9591.3167

چکیده

لزوم عملکرد توربین‌های گازی در دمای کاری بالا به منظور افزایش بهره‌وری، منجر به استفاده از پوشش‌هایی محافظتی به نام پوشش‌های سدّ حرارتی جهت محافظت از تجهیزات داخل توربین در برابر بارگذاری‌های حرارتی نسبتاً شدید شده است. اما خود این پوشش‌ها نیز تحت تأثیر این شرایط مخرب، پس از مدتی از بین می‌روند. در پژوهش حاضر بر اساس مشخصات ریزساختاری پوشش‌های سدّ حرارتی، مدل‌سازی فرآیند ساخت و ایجاد این پوشش‌ها به کمک روش اجزاء محدود انجام گرفت. در این مدل‌سازی ابتدا فرآیند ساخت و ایجاد این پوشش‌ها به منظور بررسی رفتار ترمومکانیکی این پوشش‌ها و به دست آوردن میدان دمایی و تنش پسماند موجود در آن‌ها در حین فرآیند ساخت و پس از پایان آن و خنک‌سازی تا دمای محیط، شبیه‌سازی شده است. سپس با اعمال بارگذاری حرارتی و شبیه‌سازی شرایط کاری واقعی توربین، رفتار حرارتی و مکانیکی این پوشش‌ها در شرایط کاری ارزیابی گردیده و توزیع میدان دما و تنشِ موجود در سیستم محاسبه شدند. برخلاف ساده‌سازی‌های انجام گرفته در کارهای پیشین و نادیده گرفتن فرآیند ایجاد پوشش‌ها، این پژوهش روشی برای مدل‌سازی فرآیند پاشش حرارتی و مطالعه‌ی رفتار ترمومکانیکی این پوشش‌ها از ابتدای فرآیند تولید تا پایان آن و سپس اعمال بارگذاری و شبیه‌سازی شرایط کاری توربین ارائه می‌کند. نتایج به دست آمده نشان می-دهد که تنش پسماند بیشینه پس از خنک‌سازی، در سطح مشترک بین زیرلایه و پوشش‌ میانی قرار داشته و مقدار آن نیز در محدوده‌ی نتایج گزارش شده در کارهای تجربی است

کلیدواژه‌ها


[1] Schulz U, Leyens C, Fritscher K, Peters M, Saruhan-Brings B, Lavigne O, Dorvaux JM, Poulain M, Mévrel R, Caliez M (2003) Some recent trends in research and technology of advanced thermal barrier coatings. Aerosp Sci Technol 7(1): 73-80.
[2] Wang L, Li D, Yang J, Shao F, Zhong X, Zhao H, Yang K, Tao S, Wang Y (2016) Modeling of thermal properties and failure of thermal barrier coatings with the use of finite element methods: a review. J Eur Ceram Soc 36(6): 1313-1331.
[3] Gupta M (2015) Design of thermal barrier coatings: A modelling approach. Springer.
[4] Zhao H, Levi CG, Wadley HN (2014)  Molten silicate interactions with thermal barrier coatings. Surf Coat Technol 251: 74-86.
[5] Bertrand G, Bertrand P, Roy P, Rio C, Mevrel R (2008) Low conductivity plasma sprayed thermal barrier coating using hollow psz spheres: Correlation between thermophysical properties and microstructure. Surf Coat Technol 202(10): 1994-2001.
[6] Clarke DR (2003) Materials selection guidelines for low thermal conductivity thermal barrier coatings. Surf Coat Technol 163: 67-74.
[7] Klemens P, Gell M (1998) Thermal conductivity of thermal barrier coatings. Mater Sci Eng: A 245(2): 143-149.
[8] Ma X, Wu F, Roth J, Gell M, Jordan EH (2006) Low thermal conductivity thermal barrier coating deposited by the solution plasma spray process. Surf Coat Technol 201(7): 4447-4452.
[9] Bengtsson P, Persson C (1997) Modelled and measured residual stresses in plasma sprayed thermal barrier coatings. Surf Coat Technol 92(1-2): 78-86.
[10] Hsueh CH, Fuller Jr ER (2000) Residual stresses in thermal barrier coatings: effects of interface asperity curvature/height and oxide thickness. Mater Sci Eng: A 283(1-2): 46-55.
[11] AN Khan, J Lu, H Liao (2003) Effect of residual stresses on air plasma sprayed thermal barrier coatings. Surf Coat Technol 168(2-3): 291-299.
[12] Zhang X, Xu B, Wang H, Wu Y (2005) An analytical model for predicting thermal residual stresses in multilayer coating systems. Thin Solid Films 488(1-2): 274-282.
[13] Wang L, Wang Y, Sun X, Pan Z, He J, Zhou Y, Wu P (2011) Microstructure and surface residual stress of plasma sprayed nanostructured and conventional ZrO2‐8wt% Y2O3 thermal barrier coatings. Surf Interface Anal 43(5) 869-880.
[14] Wang L, Wang Y, Sun X, He J, Pan Z, Wang C (2012) A novel structure design towards extremely low thermal conductivity for thermal barrier coatings–Experimental and mathematical study. Mater Design 35: 505-517.
[15] Wang L, Zhong X, Zhao Y, Tao S, Zhang W, Wang Y, Sun X (2014) Design and optimization of coating structure for the thermal barrier coatings fabricated by atmospheric plasma spraying via finite element method. J Asian Ceram Soc 2(2): 102-116.
 [16] Sarikaya O, Islamoglu Y, Celik E (2005) Finite element modeling of the effect of the ceramic coatings on heat transfer characteristics in thermal barrier applications. Mater Design 26(4): 357-362.
 [17] Lee MJ, Lee BC, Lim JG, Kim MK (2014) Residual stress analysis of the thermal barrier coating system by considering the plasma spraying process. J Mech Sci Technol 28(6): 2161-2168.
 [18] Asghari S, Salimi M (2010) Finite element simulation of thermal barrier coating performance under thermal cycling. Surf Coat Technol 205(7): 2042-2050.
 [19] Teixeira V, Andritschky M, Fischer W, Buchkremer H, Stöver D (1999) Effects of deposition temperature and thermal cycling on residual stress state in zirconia-based thermal barrier coatings. Surf Coat Technol 120: 103-111.
 [20]اصغری ورزنه س (1389) مدل‌سازی شکست در پوشش‌های محافظ حرارتی. دانشکده مکانیک، دانشگاه صنعتی اصفهان.