兩種不同熱障涂層材料的隔熱特性研究

齊廣峰 張恒超 賀濤 付艷麗

摘 要：為了保證航空發(fā)動機矢量作動器在高溫惡劣環(huán)境下能夠正常工作，可通過在作動器外壁面增加隔熱材料的方法來提高作動器耐高溫性能，為此，本文設(shè)計了兩種熱障涂層材料的試片，利用仿真軟件FloEFD對涂有隔熱涂層的試片模型進行了數(shù)值仿真分析和試驗驗證。本文研究了兩種不同涂層材料在不同涂層厚度下的隔熱特性。研究結(jié)果表明，材料的熱導(dǎo)率對隔熱性能的優(yōu)劣起主要作用，樹脂填充熱障涂層較氧化鋯熱障涂層更有助于提升作動器的耐溫性能，且在涂層厚度為2mm時具有較高的隔熱經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞：作動器； 耐高溫； 數(shù)值仿真； 試驗測試； 熱障涂層

中圖分類號：TH145.9 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2023.05.009

發(fā)動機性能的提高與所使用的耐高溫結(jié)構(gòu)材料密切相關(guān)[1-2]，隨著科技的發(fā)展，發(fā)動機的壓力比、進口溫度、燃燒室溫度，以及轉(zhuǎn)速都有了極大的提高[3] ，發(fā)動機的渦輪進口溫度可達到2130℃。針對高溫所帶來的問題，目前主要的解決辦法是提高材料的耐熱等級和應(yīng)用先進的冷卻技術(shù)[4-6]。提高材料的耐熱等級可以通過添加熱障涂層的方式來實現(xiàn)，熱障涂層是近幾年發(fā)展起來的熱防護方式，具有隔熱、節(jié)能、環(huán)保、施工簡易、工期短、見效快等特點，因此得到了廣泛應(yīng)用。楊明等[7]對國內(nèi)外熱障涂層的制備方法進行了歸納分析，并展望了熱障涂層制備方法的發(fā)展方向，熱障涂層的制備方法主要包括大氣等離子噴涂、電子束物理氣相沉積、激光熔覆、電泳沉積、液相等離子噴涂、等離子噴涂—物理氣相沉積等，目前實際生產(chǎn)中主要使用大氣等離子噴涂和電子束物理氣相沉積兩種方法。張強等[8]對飛秒激光熱障涂層氣膜加工技術(shù)進行了研究，闡述了飛秒激光與涂層和基體材料的作用原理和加工技術(shù)的研究過程及發(fā)展現(xiàn)狀。趙娟利等[9]對熱障涂層材料的進展進行了研究，并展望了熱障涂層材料的未來發(fā)展趨勢，在模擬研究方面，研究多側(cè)重于力/熱學(xué)性能的預(yù)測和機理解釋，且有一定的可靠性，并成功發(fā)現(xiàn)了許多潛在的新型TBC材料；模擬研究需要更多地綜合考慮力/熱學(xué)性能、熱膨脹系數(shù)和結(jié)構(gòu)/界面穩(wěn)定性，進行多尺度仿真的集成模擬。在試驗探索方面，開發(fā)新的制備方法以提高涂層質(zhì)量。

熱障涂層沉積在耐高溫金屬或超合金的表面，對基底材料起到隔熱作用，降低基底溫度，使用其制成的產(chǎn)品能夠在高溫下運行，提高產(chǎn)品正常工作時的耐溫性能。熱障涂層熱防護性能的優(yōu)劣決定了基體器件工作性能的優(yōu)劣，為了保證航空發(fā)動機矢量作動器在高溫惡劣環(huán)境下正常工作，可通過增加隔熱材料來提高作動器耐高溫性能[10-11]。本文通過數(shù)值仿真和試驗測試的方法研究了兩種不同涂層材料在不同涂層厚度下的耐高溫性能，對作動器進行耐溫優(yōu)化設(shè)計。

1 研究內(nèi)容及方法

本文首先通過熱仿真軟件FloEFD對涂有不同隔熱涂層的鋼板進行了熱仿真分析，并通過試驗測試，驗證了仿真分析的可靠性，最后對涂有樹脂填充熱障涂層和氧化鋯熱障涂層材料的鋼板進行了熱仿真分析，得到不同涂層材料在不同涂層厚度下的隔熱特性，為進行作動器耐溫優(yōu)化設(shè)計提供技術(shù)支撐。

1.1 數(shù)值仿真及方法

1.1.1 仿真建模

仿真模型如圖1所示，主要包括鋼板、涂層及高溫箱體等。其中鋼板和涂層的物理特性見表1。

建模完成之后對計算域進行網(wǎng)格劃分，計算域網(wǎng)格剖面如圖2所示。為了提高數(shù)值仿真的精度，對鋼板及涂層進行了局部網(wǎng)格加密，并進行了網(wǎng)格無關(guān)性研究，最后確定總體網(wǎng)格數(shù)量約30萬個。

1.1.2 邊界條件

在外界環(huán)境溫度為常溫25℃且外部為自然對流時，鋼板及涂層初始溫度為25℃，箱體內(nèi)設(shè)有400℃高溫?zé)嵩矗瑢ν坑袠渲畛錈嵴贤繉雍脱趸啛嵴贤繉拥匿摪暹M行熱仿真分析。

1.1.3 試驗驗證

為了驗證仿真結(jié)果的可靠性，在鋼板一側(cè)涂有樹脂填充熱障涂層時，鋼板和涂層厚度均為5mm，爐內(nèi)溫度為400℃時，對仿真數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)進行對比分析，具體仿真與試驗參數(shù)及對比結(jié)果分別見表2和表3。

由表3可見，試驗結(jié)果顯示鋼板最高溫度為144℃，仿真結(jié)果顯示鋼板最高溫度為147.8℃，相對誤差為0.6%，可知仿真結(jié)果和試驗結(jié)果吻合良好，由此驗證仿真結(jié)果可靠。

1.2 試驗測試及方法

1.2.1 試驗臺

試驗臺主要包括加熱爐、試片、測溫儀等。

1.2.2 試驗方法

在外界環(huán)境溫度為常溫25℃，外部空氣為自然對流，爐內(nèi)溫度為400℃時對試片的結(jié)構(gòu)進行了試驗測試研究。

試驗使用了樹脂填充熱障涂層和氧化鋯熱障涂層，首先通過在基體表面設(shè)置黏結(jié)層，然后在黏結(jié)層表面進行等離子噴涂。樹脂填充熱障涂層和氧化鋯熱障涂層的物性參數(shù)見表1。樹脂填充熱障涂層試片和氧化鋯熱障涂層試片分別如圖3和圖4所示。

在5mm厚鋼板一側(cè)涂覆5mm厚涂層，將涂覆涂層的一側(cè)緊貼于加熱爐窗口處，加熱爐內(nèi)部升溫至400℃，試片另一側(cè)的金屬板與大氣相通，并保持2h。

2 研究結(jié)果及分析

通過對涂有樹脂填充熱障涂層和氧化鋯熱障涂層的鋼板在不同涂層厚度下進行數(shù)值仿真和試驗測試，得到兩種涂層材料在不同涂層厚度下對試片鋼板溫度的影響規(guī)律。

2.1 不同涂層材料結(jié)果分析

2.1.1 仿真結(jié)果分析

通過對涂有相同厚度的兩種熱障涂層進行仿真分析，得到兩種涂層材料對試片鋼板溫度分布的影響。

樹脂填充熱障涂層和氧化鋯熱障涂層仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。由圖5和圖6可見，樹脂填充熱障涂層情況下，試片鋼板的最低溫度為94.6℃，最高溫度為147.8℃；氧化鋯熱障涂層情況下，試片鋼板的最低溫度為138.0℃，最高溫度為239.2℃。由此可見，樹脂填充熱障涂層的隔熱性能優(yōu)于氧化鋯熱障涂層。

2.1.2 試驗結(jié)果分析

運用以上試驗測試方法，分別對涂有樹脂填充熱障涂層和氧化鋯熱障涂層的試片進行試驗測試，如圖7和圖8所示。由以上試驗結(jié)果可見，樹脂填充熱障涂層情況下，試片鋼板的測試結(jié)果為144℃；氧化鋯熱障涂層情況下，鋼板試片的測試結(jié)果為183～208℃。

由以上仿真和試驗結(jié)果可見，樹脂填充熱障涂層的隔熱性能優(yōu)于氧化鋯熱障涂層。

2.2 不同涂層厚度結(jié)果分析

上節(jié)分析了兩種涂層材料的優(yōu)劣，本節(jié)針對兩種涂層材料進行了不同涂層厚度的仿真分析研究，涂層厚度分別為0mm、1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm。圖9和圖10給出了涂層厚度分別為2mm和5mm的仿真結(jié)果，其余涂層厚度的結(jié)果見表4和表5。

由圖9和圖10鋼板溫度分布云圖可見，涂層為樹脂填充熱障涂層時，在涂層厚度為2mm時，鋼板的最低溫度和最高溫度分別為116.78℃和191.55℃，涂層厚度為5mm時，鋼板的最低溫度和最高溫度分別為94.68℃和147.8℃。鋼板最低溫度和最高溫度都有明顯降低。

涂層為氧化鋯熱障涂層時，在涂層厚度為2mm時，鋼板的最低溫度和最高溫度分別為140.71℃和245.39℃，涂層厚度為5mm時，鋼板的最低溫度和最高溫度分別為138.01℃和239.21℃。鋼板最低溫度和最高溫度都有明顯降低。

隔熱層厚度從0增加到6mm時，隔熱層厚度對鋼板溫度的影響規(guī)律見表4和表5。涂層厚度對鋼板最高溫度影響的變化規(guī)律如圖11所示，鋼板最高溫度相對于無隔熱涂層時的相對溫差系數(shù)η曲線如圖12所示。

由表4、表5可見，對于樹脂填充熱障涂層，在涂層厚度為1mm時，相對于無涂層時溫度降低了11.2%，在涂層厚度增加到6mm時，相對于無隔熱層時溫度降低了43%。對于氧化鋯熱障涂層，在涂層厚度為1mm時，相對于無涂層時溫度降低了0.4%，在涂層厚度增加到6mm時，相對于無隔熱層時溫度降低了4.3%。

由圖11～圖13可見，涂層為樹脂填充熱障涂層時，鋼板的最高溫度隨涂層厚度的增加而降低，溫差系數(shù)隨涂層厚度的增加而增加，單位涂層厚度的溫降隨涂層厚度的增加整體明顯呈下降趨勢；而氧化鋯熱障涂層的變化則相對平緩。由此得出，隨著涂層厚度的增加，樹脂填充熱障涂層隔熱性能越明顯，其隔熱性能優(yōu)于氧化鋯熱障涂層，在樹脂填充熱障涂層厚度為2mm時具有較優(yōu)的隔熱能力。

3 結(jié)論

通過數(shù)值仿真和試驗測試的方法研究了兩種不同涂層材料在不同涂層厚度下的耐高溫隔熱特性，由兩種熱障涂層的仿真結(jié)果可以得出如下結(jié)論：

（1）鋼板的最高溫度隨著隔熱涂層厚度的增加而降低，涂層隔熱能力隨著隔熱涂層厚度的增加而增加。

（2）隔熱特性和涂層材料的物理特性密切相關(guān)，熱導(dǎo)率越低，隔熱性能越明顯。鋼板最高溫度相對于無隔熱涂層時的溫差系數(shù)隨著厚度的增加而升高，涂層每增加1mm，樹脂填充熱障涂層對隔熱性能的貢獻明顯優(yōu)于氧化鋯熱障涂層，前者具有較高的隔熱經(jīng)濟效益。

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Study on Thermal Insulation Characteristics of Two Different Thermal Barrier Coating Materials

Qi Guangfeng1， Zhang Hengchao2， He Tao2， Fu Yanli2 1. Naval Equipment Department， Xi’an 710077， China

2. AVIC Qingan Group Co.， Ltd.， Xi’an 710077， China

Abstract： In order to ensure that the aero-engine vector actuator can work normally under high temperature and harsh environment， the high temperature resistance performance of the actuator can be improved by adding heat insulation material to the outer wall of the actuator. Therefore， two test pieces of thermal barrier coating materials are set in this paper. The simulation software FloEFD is used to conduct numerical simulation analysis and test verification of the test piece model coated with heat insulation coating. The thermal insulation properties of two different coating materials under different coating thicknesses are studied. The results show that the thermal conductivity of the material plays a major role in the thermal insulation performance. The resin-filled thermal barrier coating is more helpful to improve the thermal resistance of the actuator than the Zirconia thermal barrier coating. Moreover， the thermal insulation brings higher economic benefit is higher when the thickness of the coating is 2mm.

Key Words： actuator； high temperature resistance； numerical simulation； test； thermal barrier coating