基于熱障涂層微結構的多孔隔熱材料傳熱研究論文
1引言
隨著航空及地面燃機的迅速發展，渦輪高溫葉片入口溫度也不斷提高。目前國外新型軍用燃氣渦輪發動機的燃氣溫度己達1 538 - 1 871℃，而現役發動機的高溫部件材料許用溫度均在1 100℃以下。目前先進的陶瓷熱障涂層能夠在工作環境下降低高溫零件溫度170℃左右，有效地延長熱端部件壽命，提高燃機的綜合表現性能。高溫隔熱涂層也獲得了人們的廣泛關注與研究，并在地面燃機中獲得比較廣泛的應用。
熱障涂層的一個主要性能指標即為隔熱性能，通常用涂層的熱導率或涂層前后表面的溫差來衡量。目前主要從3個方面提高涂層隔熱性能:(1)開發新熱障涂層材料和現有熱障涂層材料中添加摻雜物.(2)改變熱障涂層的微觀組織結構;(3)改變陶瓷層結構。目前，涂層材料應用最廣泛的為6%-8%部分穩定的ZrO2，等離子噴涂和物理氣相沉積方法是兩種比較成熟的制備方法。不管是用熱噴涂還是物理氣相沉積制備的熱障涂層都是各向異性的，非致密多孔狀介質，其孔隙率在1%-20%之間熱噴涂涂層呈片層狀，物理氣相沉積涂層呈柱狀。層狀結構隔熱能力強，但連接強度低，熱應力大，易剝落;柱狀結構隔熱能力較差，熱膨脹性能好，高溫熱應力較小，耐腐蝕，結構穩定。眾多學者對改變YSZ粉末顆粒尺寸、向涂層中添加穩定劑或摻雜物以降低其導熱系數進行了較多的研究;部分學者單獨研究了裂紋的形狀與方向、孔隙形狀與大小、界面的存在與否對涂層隔熱能力的影響。本文針對涂層同時存在大量不規則孔隙、裂紋、界面的具體微觀組織結構，對其隔熱能力進行研究。熱障涂層的許多性能都與涂層的結構特征相關，因此根據涂層的顯微結構特征，如片層或柱狀結構，孔隙的尺寸及大小，溫度等定量地計算其有效導熱系數的大小，對于涂層結構及工藝的設計及應用都有指導價值。
基于4參數隨機生長法，構造了各向同性、各向異性的層狀與柱狀YSZ熱障涂層的微觀結構的幾何模型，利用熱阻網絡法開發了多孔材料導熱性能的分析軟件并進行了數值計算，其結果可以為涂層結構的設計及制備提供參考依據。
2熱阻網絡法
熱阻網絡法基于多相材料內部無規則的空間結構，對熱量在材料內的傳遞過程進行研究以獲得其有效導熱系數。從無規律的隨機空間結構中提取統計學意義上的宏觀特征量，是一種比較客觀直接的問題處理方法。本文應用熱阻網絡法對基于涂層具體結構的導熱問題進行數值研究。
3涂層微結構構造方法
四參數隨機生長法是構造多相多孔介質的有效方法，它可以通過參數調整控制生成介質的形貌特征。該方法首先假設系統中包括一個非生長相和若干生長相。為了驗證本程序對于材料有效導熱系數數值求解的有效性，計算了二維兩種不同導熱系數的材料，導熱串并聯模型的有效導熱系數，并將理論解和模擬解進行對比。
復合材料導熱串并聯模型，其有效導熱系數的解析解與模擬，由誤差分析可知，本文方法能準確地計算材料有效導熱系數。
4結論
(1)孔隙率對熱障涂層的有效導熱系數有顯著影響，增大孔隙率能顯著地提高其隔熱能力;在相同的孔隙率下，孔徑對其隔熱能力影響不顯著;溫度對涂層導熱系數的影響，與其致密基體在不同溫度下的導熱系數密切相關。
(2)層狀結構的隔熱能力明顯強于柱狀結構，孔隙率為15%的涂層，層狀結構導熱系數要比柱狀結構有46%左右的降低。涂層材料的內部微結構對涂層隔熱性能將有很大影響。
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