基于柱狀結構的熱障涂層隔熱性能數值研究

凌錫祥， 王玉璋， 王 星

(上海交通大學 動力機械與工程教育部重點實驗室，上海200240)

隨著航空燃氣渦輪發動機及地面燃氣輪機的迅速發展，燃氣入口溫度也不斷提高。渦輪葉片材料的承溫能力極限限制了航空發動機推重比的提升，快速、有效地提高渦輪葉片的耐高溫能力就成為當務之急。當前解決這一問題的主要手段之一是在渦輪葉片表面應用熱障涂層技術(TBCs)［1］。在先進燃氣渦輪發動機中，高溫防護涂層與高溫結構材料、高效冷卻并重為渦輪葉片的三大關鍵科學技術。目前先進的熱障涂層能夠在工作環境下降低熱端部件溫度170℃左右［2］，有效的延長熱端部件壽命，提高燃氣渦輪發動機的綜合性能。

熱障涂層目前主流的制備工藝是電子束物理氣相沉積法(EB－PVD)和等離子噴涂(APS)。涂層的材料成分也不斷得到更新發展，從傳統的8%(質量分數)Y2O3－ZrO2(8YSZ)逐漸發展到摻稀土元素的ZrO2體系。不管是采用何種制備工藝獲得的熱障涂層系統，其隔熱性能和涂層使用壽命都是評價熱障涂層性能的重要指標。隔熱性能直接關系到金屬部件的使用溫度，同時也影響到熱障涂層熱循環的服役壽命［3］。熱噴涂或者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5% ～20%之間［4，5］。熱噴涂涂層呈片層狀，物理氣相沉積涂層呈柱狀。涂層微結構的不同決定了其隔熱性能以及其他性能的不同。柱狀涂層結構，隔熱能力較差，但其應變容限好，高溫熱應力較小，耐腐蝕，結構穩定。……