多尺度孔隙結(jié)構(gòu)熱障涂層高溫服役導(dǎo)熱演變模擬*

曾圣聰，金 燦，高培虎，李曉航，楊 忠

(1.西安工業(yè)大學(xué) 材料與化工學(xué)院，西安 710021；2.陸軍駐西安地區(qū)某部，西安 710032)

熱障涂層廣泛應(yīng)用于先進(jìn)燃?xì)廨啓C和航空發(fā)動機的熱端部件，以提高發(fā)動機的效率和穩(wěn)定性[1-3]。氧化鋯因其低熱導(dǎo)率而常被用作熱障涂層材料。而氧化鋯在高于950 ℃的溫度下會發(fā)生相變，導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力增加，體積膨脹。從高的使用溫度冷卻到室溫后，氧化鋯涂層會形成較高的拉應(yīng)力，經(jīng)過多次高溫冷卻循環(huán)后，積累的內(nèi)部拉應(yīng)力將超過氧化鋯的強度，最終涂層形成裂紋導(dǎo)致失效。因此通過在氧化鋯中摻雜穩(wěn)定劑的方式，如Y2O3、MgO、CeO2和CaO可以防止氧化鋯在高溫下發(fā)生相變[4-5]。Y2O3是目前應(yīng)用最廣泛的穩(wěn)定劑，常使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%～12%的Y2O3作為穩(wěn)定劑[6-9]，特別是添加8 mol的Y2O3所制備的YSZ(8YSZ)具有穩(wěn)定的立方結(jié)構(gòu)。同時，8YSZ在1 000 ℃時的熱導(dǎo)率為2.3 W·m-1·k-1[10-13]。而常用熱障涂層制備方法有電子束物理氣相沉積(EB-PVD)和等離子噴涂(APS)。等離子噴涂制備的8YSZ熱障涂層，擁有比塊體8YSZ低得多的熱導(dǎo)率，可起到很好的隔熱效果，主要是因為等離子噴涂涂層具有典型的層狀結(jié)構(gòu)特征，在沉積的粉末之間有許多未結(jié)合區(qū)，有利于熱障涂層獲得更低的熱導(dǎo)率、更好的隔熱效果[14-15]。因此，為了進(jìn)一步降低熱障涂層的熱導(dǎo)率，可以通過額外添加造孔劑進(jìn)一步提高孔隙含量，如聚丙烯(PP)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、高密度聚乙烯(HDPE)等可在熱障涂層中引入微米和幾十微米的較大尺寸封閉孔隙[16]。文獻(xiàn)[17]使用具有納米核殼結(jié)構(gòu)的YSZ中空球形粉末，通過大氣等離子噴涂制備了具有納米和微米尺度的熱障涂層。 文獻(xiàn)[18]使用聚酯粉末在熱障涂層中形成了數(shù)十微米尺度的大孔隙，其孔隙率約為40%，在1 100 ℃時的導(dǎo)熱系數(shù)非常低，約為0.3 W·m-1·k-1。因此，在熱障涂層中引入封閉的孔隙將有利于降低涂層的熱導(dǎo)率，提高涂層的隔熱性能。然而，陶瓷在燒結(jié)過程中氣孔會逐漸愈合。此外，在熱障涂層中，使用溫度變得越來越高，當(dāng)接近燒結(jié)溫度時納米尺寸的孔隙會使材料的燒結(jié)活性變強，納米級小尺寸孔隙會因為燒結(jié)而消失，導(dǎo)致涂層的熱導(dǎo)率會增加[19-20]。

因此，在納米和微米尺度上研究具有多尺度孔隙結(jié)構(gòu)的熱障涂層在高溫下長期服役后熱導(dǎo)率的演變機制有利于解決涂層服役后熱導(dǎo)率升高的問題，提高涂層的隔熱性能。本文擬構(gòu)建具有微米和納米級多尺度孔隙結(jié)構(gòu)的熱障涂層，模擬涂層在1 100 ℃下高溫服役不同時間后，涂層導(dǎo)熱能力的變化，探究了具有微納米多尺度孔隙結(jié)構(gòu)熱障涂層在1 100 ℃下長期服役后熱導(dǎo)率的演變機制，為熱障涂層的孔隙結(jié)構(gòu)設(shè)計調(diào)整以及涂層的穩(wěn)定化研究提供理論依據(jù)。

1 實驗方法

1.1 建立模型

根據(jù)熱障涂層的實際結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了由基體、粘結(jié)層和陶瓷層3部分組成的模型，模型基體的直徑為12.6 mm，厚度為2.6 mm；粘結(jié)層和陶瓷層的直徑為12.6 mm，厚度分別為0.1 mm和0.2 mm。圖1為熱障涂層掃描顯微結(jié)構(gòu)以及實際熱導(dǎo)率測試試樣。為方便模擬，假設(shè)孔隙為球形，孔徑分別設(shè)置為0.3 μm、3 μm和30 μm，三種尺寸的孔隙呈現(xiàn)層狀分布，孔隙個數(shù)分別設(shè)置為1000、500和100。通過式(1)可以計算得到涂層的孔隙率為5%。通過調(diào)整不同尺寸孔隙的數(shù)量將孔隙率調(diào)整為5%、10%、15%和20%,模型如圖2所示。利用HYPERMESH軟件對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，基體和粘結(jié)層選擇四邊形網(wǎng)格劃分、陶瓷層采用的三角形網(wǎng)格劃分，全局尺寸為1， 模型網(wǎng)格劃分如圖3所示?？紫堵视嬎愎綖?/p>

圖3 模型網(wǎng)格劃分

(1)

式中:P為孔隙率;r為涂層半徑;h為涂層厚度;r1、r2、r3分別為三種球形孔隙的半徑;N1、N2、N3分別為三種孔隙個數(shù)。

1.2 材料參數(shù)及邊界條件

根據(jù)實際工況，模擬服役溫度為1 100 ℃，設(shè)置的邊界條件為：將涂層頂端設(shè)置為熱源高溫區(qū)域，溫度為1 100 ℃；基體底部為冷端，溫度設(shè)置為25 ℃，通過熱端和冷端(基體)熱流的溫度差，模擬熱障涂層的熱傳導(dǎo)過程，通過Ansys軟件模擬結(jié)果，可以計算出構(gòu)建的多尺度孔隙結(jié)構(gòu)熱障涂層的等效熱導(dǎo)率[21-22]，等效熱導(dǎo)率的計算公式為

(2)

式中:q為熱通量;d為熱傳導(dǎo)總距離;ΔT為溫度變化;J為熱流。

為模擬長時間的高溫服役環(huán)境，在邊界條件溫度設(shè)置好以后，將Analysis settings中的時間修改為1 d、10 d、20 d、30 d、45 d、60 d、90 d。這樣可以得到不同時間下高溫服役的模型熱傳導(dǎo)過程以及其熱導(dǎo)率。

材料參數(shù)設(shè)定見表1，(a)為陶瓷層材料的參數(shù)設(shè)置、(b)為粘結(jié)層材料參數(shù)設(shè)置、(c)為基體材料參數(shù)設(shè)置、(d)為孔隙材料參數(shù)設(shè)置，基體和粘結(jié)層的熱傳導(dǎo)系數(shù)設(shè)置為14.7 W·m-1·k-1、陶瓷層熱傳導(dǎo)系數(shù)為2.3 W·m-1·k-1、孔隙熱傳導(dǎo)系數(shù)設(shè)置為0.025 7 W·m-1·k-1(近似于空氣)。

表1 材料參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度及熱通量分布

溫度設(shè)置為25 ℃、25～200 ℃、25～600 ℃、25～1 000 ℃、25～1 100 ℃。陶瓷層8YSZ材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)選擇2.3 W·m-1·k-1，孔隙的熱傳導(dǎo)系數(shù)選擇0.025 7 W·m-1·k-1。圖4為涂層在1 000 ℃時的溫度分布云圖。

圖4 溫度分布云圖

從圖4中可以發(fā)現(xiàn),模型的熱傳遞呈現(xiàn)一個梯度分布的狀態(tài)，當(dāng)零件承受1 000 ℃的高溫時，陶瓷層的溫度最高(達(dá)到891.67 ℃)，粘結(jié)層次之(達(dá)到566.67 ℃)，基體溫度最低(為133.33 ℃)，這說明陶瓷層在高溫下服役時對基體起到了良好的保護(hù)作用。圖5是涂層在1 000 ℃時的熱通量分布云圖，從圖5中可以發(fā)現(xiàn),涂層外圍傳熱一致且涂層的熱通量大致為2.591 1×106W·m-2，在整個陶瓷層的傳熱過程中，孔隙的傳熱較低，熱通量為7.301×105W·m-2，而其他位置傳熱基本一致，這說明孔隙的存在降低了涂層的傳熱，提高了涂層的隔熱效果。

圖5 熱通量分布云圖

2.2 熱導(dǎo)率演變機制

圖6是在不同溫度下、具有不同孔隙率的熱障涂層中陶瓷層的等效熱導(dǎo)率。從圖6中可以發(fā)現(xiàn),熱障涂層的熱導(dǎo)率隨著溫度的升高而降低。同時，熱障涂層的熱導(dǎo)率隨著孔隙率的增加而降低。說明孔隙的存在降低了熱障涂層的導(dǎo)熱系數(shù)，提高了熱障涂層的隔熱效果。

圖7是具有不同孔隙率的熱障涂層在1 100 ℃下服役不同時間后1 100 ℃時的熱導(dǎo)率。從圖7中可以發(fā)現(xiàn),熱障涂層的熱導(dǎo)率隨著服役時間的增加而增加，這是因為隨著使用時間的延長，沉積在的熱障涂層邊界顆粒之間的納米級小尺寸孔隙的一部分將消失。而當(dāng)服役時間到達(dá)60 d后，熱障涂層的熱導(dǎo)率趨于穩(wěn)定，這是因為涂層中微米和幾十微米的大孔不會消失，因為熱障涂層顆粒之間的擴散無法穿透微孔尤其是幾十微米的大孔。因此，在1 100 ℃下服役約60 d后，多尺度孔隙結(jié)構(gòu)熱障涂層的熱導(dǎo)率趨于穩(wěn)定，趨近于塊材的熱導(dǎo)率。此時，隨著服役時間的進(jìn)一步延長，多尺度孔隙結(jié)構(gòu)熱障涂層的熱導(dǎo)率將趨于穩(wěn)定，不再變化，最終保證燃?xì)廨啓C的穩(wěn)定運行。

圖7 不同孔隙率熱障涂層服役前后熱導(dǎo)率演變曲線

3 結(jié) 論

1) 利用Ansys有限元仿真軟件進(jìn)行模擬，研究了具有多尺度孔隙結(jié)構(gòu)的熱障涂層在1 100 ℃下長期服役導(dǎo)熱特性，探究其演變機制，為熱障涂層的孔隙結(jié)構(gòu)設(shè)計調(diào)整以及涂層的穩(wěn)定化研究提供理論依據(jù)。

2) 多尺度孔隙結(jié)構(gòu)熱障涂層的熱導(dǎo)率隨著溫度的升高而下降，隨著孔隙率的升高而下降，隨著服役時間的增加而增加。未服役熱障涂層在孔隙率為5%、10%、15%、20%時的熱導(dǎo)率分別為2.04、1.98、1.94、1.88 W·m-1·k-1，當(dāng)服役時間到達(dá)60 d后涂層熱導(dǎo)率升高至2.29、2.27、2.26、2.24 W·m-1·k-1，涂層熱導(dǎo)率趨于穩(wěn)定，接近于塊材的熱導(dǎo)率。