Wetenschap
Onderzoekers hebben een multischaal-evaluatiemethode met hoge doorvoer voor thermische spanning in thermische barrièrecoatings ontwikkeld
Thermische barrièrecoatings (TBC's) worden veel gebruikt in gasturbinemotoren om hogere werktemperaturen te verkrijgen en de motorefficiëntie te verbeteren. De faseovergang van de keramische laag gaat gepaard met een groot volumeverschil, waardoor de concentratie van thermische spanning ontstaat, waardoor de TBC's uiteindelijk afvallen en falen. Daarom is het noodzakelijk om de omvang en verdeling van de thermische spanning die wordt veroorzaakt door faseovergang in de keramische laag kwantitatief te evalueren.
Een team van materiaalwetenschappers onder leiding van prof. Xiaoyu Chong van de Kunming Universiteit voor Wetenschap en Technologie in Kunming, China, heeft onlangs een high-throughput multiscale evaluatiemethode voor thermische spanning in TBC's ontwikkeld, waarbij rekening wordt gehouden met de faseovergang van de beste keramische materialen door eerst te koppelen principes berekeningen met eindige elementensimulaties.
De methode evalueert en visualiseert op kwantitatieve wijze de thermische spanning van de echte TBC-structuur onder thermische cycli door middel van multiveldkoppeling, wat een belangrijke theoretische basis en leidraad kan bieden voor de levensduurvoorspelling en het omgekeerde ontwerp van coatingmaterialen.
Het team heeft hun werk gepubliceerd in Journal of Advanced Ceramics .
"In dit rapport ontwikkelen we een high-throughput multiscale evaluatiemethode voor thermische spanning in meerlaagse systemen, waarbij rekening wordt gehouden met de faseovergang van de beste keramische materialen door berekeningen uit de eerste principes te koppelen aan eindige-elementensimulaties. Deze aanpak kan kwantitatief evalueren en visualiseren de thermische stress in TBC’s gebaseerd op echte structuren, rekening houdend met de daadwerkelijke gebruiksomgeving die wordt onderworpen aan thermische cycli”, zegt Chong, een professor aan de Faculteit Materiaalwetenschappen en Techniek van de Kunming University of Science and Technology (China), wiens onderzoeksinteresses zich richten op de gebied van high-throughput multiscale computing en machinaal leren.
"De invoer van thermofysische eigenschappen in eindige-elementensimulaties wordt berekend door middel van berekeningen uit de eerste principes, waarbij de multischaalmethode de invloed van faseovergang en temperatuur kan overwegen en tegelijkertijd de kosten en tijd voor het verkrijgen van thermofysische eigenschappen door experimenten kan verminderen", vervolgde hij.
Het is een uitdaging om het fasetransformatieproces van keramische coating direct te observeren. Als een van de belangrijkste redenen voor het falen van coatings is thermische spanning onderhevig aan een gebrek aan kwantitatieve test- en karakteriseringsmethoden, en de gebruiksomgeving met hoge temperaturen vergroot ook de moeilijkheidsgraad van fasetransformatie-thermische stresstests.
"De eindige-elementensimulaties gekoppeld aan meerdere fysieke velden kunnen de thermische spanning van TBC's visualiseren en kwantitatief evalueren. De thermofysische eigenschappen die vereist zijn voor eindige-elementensimulaties zijn echter afgeleid van experimentele metingen, waarbij de effecten van faseovergang en temperatuur worden genegeerd", zegt Mengdi Gan. , de eerste auteur van het artikel en een Ph.D. student begeleid door Prof. Chong.
In het onderzoek ontwikkelen de onderzoekers een high-throughput multi-scale evaluatiemethode voor thermische spanning in meerlaagse systemen, waarbij rekening wordt gehouden met de faseovergang van de beste keramische materialen door berekeningen uit de eerste principes te koppelen aan eindige-elementensimulaties.
Deze aanpak kan de thermische spanning in TBC's kwantitatief evalueren en visualiseren op basis van echte structuren, rekening houdend met de feitelijke serviceomgeving die wordt onderworpen aan thermische cycli. De thermofysische eigenschappen die in eindige-elementensimulaties worden ingevoerd, worden berekend door middel van berekeningen uit de eerste beginselen, waarbij de multischaalmethode de invloed van faseovergang en temperatuur kan overwegen en tegelijkertijd de kosten en tijd voor het verkrijgen van thermofysische eigenschappen door experimenten kan verminderen.
In dit werk worden tantalieten van zeldzame aardmetalen (RETaO4 ) worden geïntroduceerd als keramische lagen, en de resultaten tonen aan dat thermische spanning een snelle escalatie ondergaat nabij de faseovergangstemperatuur, vooral in de TBCs_GdTaO4 systeem. Deze discontinuïteit in thermische spanning kan voortkomen uit de grote veranderingen in Young's modulus en thermische geleidbaarheid nabij de faseovergangstemperatuur.
De TBCs_NdTaO4 en TBCs_SmTaO4 systemen vertonen opmerkelijke temperatuurdalingsgradiënten en minimale thermische spanningsschommelingen, wat gunstig is voor het verlengen van de levensduur van de TBC's. Deze aanpak vergemakkelijkt de voorspelling van faalmechanismen en biedt theoretische richtlijnen voor het omgekeerde ontwerp van TBC-materialen om systemen met lage thermische spanning te verkrijgen.
Andere bijdragen zijn onder meer Mengdi Gan, Tianlong Lu, Wei Yu en Jing Feng van de Faculteit Materiaalwetenschappen en Techniek aan de Kunming Universiteit voor Wetenschap en Technologie in Kunming, China.