基于热障涂层微结构的多孔隔热材料传热研究

　　1引言
　　随着航空及地面燃机的迅速发展，涡轮高温叶片入口温度也不断提高。目前国外新型军用燃气涡轮发动机的燃气温度己达1 538 - 1 871 ，而现役发动机的高温部件材料许用温度均在1 100 以下。目前先进的陶瓷热障涂层能够在工作环境下降低高温零件温度170 左右，有效地延长热端部件寿命，提高燃机的综合表现性能。高温隔热涂层也获得了人们的广泛关注与研究，并在地面燃机中获得比较广泛的应用。
　　热障涂层的一个主要性能指标即为隔热性能，通常用涂层的热导率或涂层前后表面的温差来衡量。目前主要从3个方面提高涂层隔热性能:(1)开发新热障涂层材料和现有热障涂层材料中添加掺杂物.(2)改变热障涂层的微观组织结构;(3)改变陶瓷层结构。目前，涂层材料应用最广泛的为6%-8%部分稳定的ZrO2，等离子喷涂和物理气相沉积方法是两种比较成熟的制备方法。不管是用热喷涂还是物理气相沉积制备的热障涂层都是各向异性的，非致密多孔状介质，其孔隙率在1%-20%之间热喷涂涂层呈片层状，物理气相沉积涂层呈柱状。层状结构隔热能力强，但连接强度低，热应力大，易剥落;柱状结构隔热能力较差，热膨胀性能好，高温热应力较小，耐腐蚀，结构稳定。众多学者对改变YSZ粉末颗粒尺寸、向涂层中添加稳定剂或掺杂物以降低其导热系数进行了较多的研究;部分学者单独研究了裂纹的形状与方向、孔隙形状与大小、界面的存在与否对涂层隔热能力的影响。本文针对涂层同时存在大量不规则孔隙、裂纹、界面的具体微观组织结构，对其隔热能力进行研究。热障涂层的许多性能都与涂层的结构特征相关，因此根据涂层的显微结构特征，如片层或柱状结构，孔隙的尺寸及大小，温度等定量地计算其有效导热系数的大小，对于涂层结构及工艺的设计及应用都有指导价值。
　　基于4参数随机生长法，构造了各向同性、各向异性的层状与柱状YSZ热障涂层的微观结构的几何模型，利用热阻网络法开发了多孔材料导热性能的分析软件并进行了数值计算，其结果可以为涂层结构的设计及制备提供参考依据。
　　2热阻网络法
　　热阻网络法基于多相材料内部无规则的空间结构，对热量在材料内的传递过程进行研究以获得其有效导热系数。从无规律的随机空间结构中提取统计学意义上的宏观特征量，是一种比较客观直接的问题处理方法。本文应用热阻网络法对基于涂层具体结构的导热问题进行数值研究。
　　3涂层微结构构造方法
　　四参数随机生长法是构造多相多孔介质的有效方法，它可以通过参数调整控制生成介质的形貌特征。该方法首先假设系统中包括一个非生长相和若干生长相。为了验证本程序对于材料有效导热系数数值求解的有效性，计算了二维两种不同导热系数的材料，导热串并联模型的有效导热系数，并将理论解和模拟解进行对比。
　　复合材料导热串并联模型，其有效导热系数的解析解与模拟，由误差分析可知，本文方法能准确地计算材料有效导热系数。
　　4结论
　　(1)孔隙率对热障涂层的有效导热系数有显著影响，增大孔隙率能显著地提高其隔热能力;在相同的孔隙率下，孔径对其隔热能力影响不显著;温度对涂层导热系数的影响，与其致密基体在不同温度下的导热系数密切相关。
　　(2)层状结构的隔热能力明显强于柱状结构，孔隙率为15%的涂层，层状结构导热系数要比柱状结构有46%左右的降低。涂层材料的内部微结构对涂层隔热性能将有很大影响。