镍基热喷涂层对列车车轮铸钢抗制动热疲劳损伤作用机制探讨

这里主要研究了镍基热喷涂层对车轮铸钢材料抗热疲劳的作用机制,分别对有涂层试样和未涂层试样进行了450～20℃温度幅下热疲劳试验.研究发现,镍基涂层试样在涂层表面出现一些腐蚀坑和微裂纹,但具有层状结构的韧性镍基涂层未出现剥落现象,涂层层状结构阻碍了涂层裂纹向基体的传播,镍基涂层很好地避免了基体材料的热疲劳损伤.而在同等条件下,未涂层试样不论是表面还是断口处都已经遭受到了较为严重的破坏.     

基于数字图像处理技术的热障涂层形貌特征识别方法

针对人工检测热障涂层形貌特征所具有的繁复性、误差大等缺点, 提出一种利用机器视觉自动化识别热障涂层形貌特征并计算形貌特征参数的方法. 完成了基于数学形态学的片层轮廓自动提取及铺展形貌参数的计算, 用最大类间方差法求取二值分割阈值, 运用均值滤波和形态学操作为图片去噪并保证单个片层的连通性, 通过轮廓提取来获得片层边缘信息, 最后根据所提取出的轮廓计算片层的实度参数. 同时, 进一步完成了基于遍历搜索的热障涂层中裂纹的自动识别及长度计算. 首先, 识别出图像中的片层并去除, 运用闭运算完成断裂裂纹的修复, 通过图像细化得到裂纹骨架; 然后, 遍历搜索每条裂纹, 完成长度计算. 结果表明, 采用所提出方法检测片层轮廓和识别裂纹的效果良好, 具有较好的抗噪声干扰能力, 可以精确计算出形貌特征参数, 对研究热喷涂熔滴在基材表面的沉积行为有重要的推动作用.     

热障涂层热不匹配残余应力的分析研究

广泛应用于高温部件的热障涂层,在热载荷作用下各层间所集聚的残余应力是导致其层裂和失效的重要原因。针对热障涂层由于热不匹配产生的残余应力,建立了相应的平面应变模型,研究了温度与涂层厚度对界面残余应力和陶瓷层内最大残余应力分布的影响。结果表明,陶瓷层内的残余应力主要表现为横向压缩应力,且最大值位于距陶瓷层表面1/3厚度处;界面残余应力相对较小,但在自由边界处有应力集中现象;随着温度的升高应力值在增大,陶瓷层厚度增加会改变结构厚度方向上的应力分布,且厚度增加使陶瓷层内残余应力值和界面残余应力值减小。     

粘接层预氧化对热障涂层TGO生长与抗高温氧化性能的影响

利用预氧化技术在热障涂层(TBC)的陶瓷层/粘接层界面形成致密Al₂O₃层,经过1 100 ℃高温氧化试验,研究了该Al₂O₃层通过抑制氧气扩散,降低热生长氧化物(TGO)生长速率的作用机理,阐明了粘接层预氧化对整体热障涂层氧化行为的影响规律.结果表明:喷涂态(A-TBC)与预氧化(P-TBC)试样的TGO厚度及氧化增重均随氧化时间的延长而增长.但是,P-TBC显著减少了整个过程氧的扩散,有效抑制了氧化初期TGO的急速生长,使得P-TBC能够长期保持有益的TGO结构、降低抛物线氧化速率,并最终提高热障涂层抗高温氧化性能.     

La2Zr2O7/YSZ梯度热障涂层的热冲击失效行为

隔热性能是热障涂层对基体热保护功能最直接的衡量标准。制备La₂Zr₂O₇(LZO)/ YSZ 梯度热障涂层(DCL-TBCs)，在1 300 ℃的顶部涂层表面温度下与500 μm厚的YSZ TBC进行热梯度循环试验，评估它们的寿命。分析试验结果表明，当厚度为100 μm和200 μm的YSZ涂层被LZO涂层替代时，DCL-TBCs的寿命会比500 μm厚的YSZ TBC高出一倍多。证明DCL-TBCs技术可在较高温度下有效延长涂层的使用寿命。     

基体曲率对热障涂层残余应力的影响

导出了轴对称温度应力状态下的位移公式。采用空心和实心四相同心圆模型分析了基体曲率对热障涂层残余应力的影响。结果表明：热障涂层结构中各层内既有环向应力,又有径向应力,应力大小与温降成线性关系;当陶瓷层在外层时,在氧化层／陶瓷层和粘结层／氧化层界面上产生垂直界面的拉应力,且实心模型的拉应力远大于空心模型的拉应力;当陶瓷层在里层时,空心模型中相应界面上的应力为压应力。     

基体曲率对热障涂层残余应力的影响

导出了轴对称温度应力状态下的位移公式,采用空心和实心四相同心圆模型分析了基体曲率对热障涂层残余应力的影响。结果表明:热障涂层结构中各层内既有环向应力,又有径向应力,应力大小与温降成线性关系;当陶瓷层在外层时,在氧化层/陶瓷层和粘结层/氧化层界面上产生垂直界面的拉应力,且实心模型的拉应力远大于空心模型的拉应力;当陶瓷层在里层时,空心模型中相应界面上的应力为压应力。     

大气等离子喷涂ZrO2–YO1.5–TaO2.5热障涂层的非平衡晶界钽偏析失效机理

ZrO₂–YO_1.5–TaO_2.5(ZYTO)三元体系因其低的热导率、稳定的四方相结构和铁弹性增韧机制，成为了热障涂层陶瓷层候补材料中的研究热点。然而，目前ZYTO材料的研究主要集中在块体结构及性能方面，对于其作为热障涂层实际应用的结构及性能却鲜有报道。本文旨在系统地研究ZYTO热障涂层在高温服役过程中的结构及性能演变，并明确其高温失效机理。本文通过大气等离子喷涂方法制备了ZYTO热障涂层，并研究了其在1150°C下的热循环性能及微观结构演变。研究结果表明，尽管ZYTO块体材料具有良好的热学和力学性能，但是大气等离子喷涂ZYTO热障涂层却表现出极短的热循环寿命。这主要归因于在超高温的大气等离子喷涂过程中Ta元素有限的溶解度以及急速冷却所伴随的非平衡晶界Ta偏析现象，导致 ZYTO热障涂层发生了从稳定四方相到亚稳四方相和立方相的相变过程。相变过程带来了~0.74vol%的体积收缩，使得涂层中亚稳四方相和立方相的相界处萌生了大量微裂纹。此外，具有大量晶界Ta偏析的立方相表现出明显的晶间脆化，显著降低了涂层的结合强度(~5.3 MPa)，使得大气等离子喷涂ZYTO热障涂层过早失效。     

航空发动机叶片表面热障涂层温度分布的仿真分析

采用有限元固体热传导仿真模型分析航空发动机导向叶片表面热障涂层(TBC)的温度特性;采用工程实验的通用模型,输入因变量(Input)→仿真模型和边界条件(Process)→输出变量(Output),进行热障涂层的实验设计;比较了几种热涂层材料(如ZrO2系列TBC)的隔热性能,分析了不同的基底与TBC厚度下隔热性能的变化情况.同时,通过计算机仿真方法探讨了国内外相关文献中的TBC隔热效果的差异性.结果表明,温度边界条件对于准确估算TBC的隔热效果至关重要.在对比TBC的隔热性能时,需对测温环境进行标定.     

采用太赫兹时域光谱技术的高精度热障涂层测厚方法

针对标准试块法测量热障涂层厚度需要制作标准试块导致成本高、测量工艺复杂、无法适应热障涂层服役后折射率变化等问题，提出了采用太赫兹时域光谱技术的高精度热障涂层测厚方法。首先，根据太赫兹波在热障涂层中的传播特性建立了热障涂层太赫兹波传播模型，通过模型可以得到太赫兹检测信号回波数量和回波相位对应的变化关系；然后，根据菲涅尔定律和太赫兹检测信号前3次回波之间的作用关系建立了折射率计算模型；最后，根据所得到的折射率和相邻两次回波时间差采用飞行时间法求解热障涂层厚度。对所提方法测量热障涂层厚度的可行性和准确性进行了多组实验研究，结果表明：与标准试块法相比，所提方法不需要制作标准试块，仅根据太赫兹检测信号即可同时计算得到热障涂层折射率与厚度，实现了对热障涂层高效、高精度测厚；所提方法测量厚度的相对误差可以达到1.15%,比标准试块法测量厚度的相对误差降低了42.5%。     

考虑热探针接触热阻的热物性测量方法研究

提出了基于考虑接触热阻的热探针导热微分方程的精确解,利用蒙特卡罗反演和分层修正的热探针热物性测量方法,可以同时测量热导率、比热容等热物性参数.利用该方法,对一些液体和固体材料的热导率进行了测量,并与其他测量方法的结果进行了分析与比较.结果表明,采用该方法所得热导率具有较高的精度,平均测量误差约为1.1%;进而针对比热容反演精度较低的问题,论文采用分层修正方法后,比热容的平均测量误差可达到2.6%,精度有了较大提高.对测量结果进行比较发现,接触热阻对固体热导率影响较大,对液体热导率的影响可以忽略;接触热阻对比热容的测量结果的影响不大.     

动态热环境人体热感觉的模糊综合评判

为研究动态热环境下人体心理反应预测,基于模糊集理论及人与周围热环境瞬时热量传递的合理分析,提出一种动态热环境中人体热感觉模糊综合评判的方法。在本质上,人体外表面同周围环境之间换热热流通量的变化决定了人体在热环境中热感觉值的变化规律。该方法选取换热热流通量变化值作为特征变量,因而降低了求解问题的复杂度。数值模拟算法采用分层递阶模块式结构、基于知识的推理系统和模糊信息并行处理,具有结构简单、易修改扩充、计算速度快和占用存储空间少等优点。将模拟结果同微气候环境室的实验数据相比较,验证了算法的有效性。     

生物组织热导率的脉冲衰减法测量

采用脉冲-衰减法测量生物组织的热导率，通过合理设计测量电路、选择电路参数，可以使脉冲输入期间探头输入功率的变化小于1％．当测量工况变化时，探头输入功率会产生较大变化，为此，提出了改进的脉冲衰减法．采用本方法，还可以适当提高脉冲输入期间探头的输入功率以增加探头温升，从而减少探头输入功率测量误差以及温度测量段温度测量误差的影响，提高热导率的测量精度．测量结果表明，由于脉冲-衰减法在推导时没有考虑探头尺寸的影响，造成热导率的测量值偏大；为此，进一步给出了一种热导率的测量值的简单修正方法，经修正后的热导率的最大误差为4．25％，平均误差为2．05％．     

热辐射在倾斜通道热流场的作用

针对热辐射是通道内热流场的重要影响因素之一,采用实验和数值计算方法对倾斜角度为10°、20°和30°的两端开口通道内热流场进行了研究。使用基于大涡模拟(LES)求解浮力驱动N S方程的数值模拟方法求得的模拟结果和实验值吻合较好。通过使用耦合热辐射模型的数值计算结果和忽略热辐射的数值计算结果分别与实验结果进行对比分析的方法发现,在热源一定的条件下,对于倾斜角度在10°～30°之间的通道,热辐射使通道上部高温区域的温度降低,随着倾斜角度的增大,热辐射对通道低端开口上壁面附近的影响作用减弱,而倾斜角度对于热辐射在通道高端开口上壁面附近的作用则影响不大,同时,在通道倾斜角度为30°时,热辐射使通道内高温区域向高端开口方向倾斜,并使通道高端的下部温度升高。整个实验和计算结果可为倾斜通道内热流场的理论研究提供参考依据。     

热分析技术在电子设备热设计中的应用

在传热学理论的基础上,介绍了Icepak的特点及求解过程.以笔记本电脑为例,利用Icepak软件对电子设备的计算域进行仿真,并对其进行了热分析,讨论了散热方式的选择和具体的热设计,最终使其满足温度控制的要求.     

复合材料层合板的热变形非线性分析

采用交替非线性分析有限元法研究了复合材料层合板在瞬态热载作用下的热变形问题。通过数值结果讨论表明，在研究热载作用下复合材料层合板热变形分析时必须考虑复合材料的热物理和力学机械性质随温度变化的非线性特征。     

基于重要抽样法的热防护系统热可靠性评估方法

热防护系统的可靠性直接影响到高超飞行器的安全性和结构完整性。为提高热防护系统可靠性分析的效率,在之前研究的基础上提出了基于重要抽样(Importance Sampling,IS)的热可靠性评估方法,给出了该方法的具体实施流程和评价方法,有效解决蒙特卡洛法(Monte Carlo method,MC)对于低失效概率问题分析效率过低的问题。以典型的非烧蚀热防护系统为例,在考虑材料、几何尺寸不确定性的情况下进行了热可靠性分析,验证文中方法的有效性。计算结果表明,要得到同等置信度的失效概率结果,重要抽样法所需的抽样次数仅为传统蒙特卡洛法10%,大大提高了可靠性分析的效率。     

热能去毛刺机理

热能去毛刺,是利用高压容器里的氢、氧混合气爆燃时所产生的瞬间高温(约3600K),将金属零件的毛刺去除。本文从理论上计算了爆燃温度,讨论了影响去毛刺效果的诸因素     

相变蓄热球体堆积床传热模型及热性能分析

为提高普适性和预测性,建立了相变蓄热球体堆积床热性能的传热模型,可以对系统多种热性能参数进行计算分析。经验证明模型结果与实验结果较吻合。表明该模型对相变蓄热球体堆积床的结构设计、性能模拟及运行管理可提供理论指导。     

基于最小热阻理论的混凝土导热系数计算模型

针对传统混凝土导热系数计算模型机械地按照混凝土组成来划分热流途径而导致计算结果偏大的问题,基于最小热阻理论,并考虑到混凝土中孔隙作用,对传统混凝土导热系数计算模型进行了改进.通过引入传热面积比例系数的方法,使混凝土中热流途径的划分不仅满足了混凝土组成的要求,而且满足了最小热阻理论.采用该模型分别计算了8种混凝土的导热系数,其计算结果与实测结果的误差率在-14.0%～+5.1%范围内,而Harmathy模型和Campbell-Allenand Throne模型的计算结果与实测结果误差率分别在4.9%～29.3%和11.0%～32.1%范围内.相比于传统的混凝土导热系数计算模型,基于最小热阻理论建立的混凝土导热系数计算模型精度有了较大的提高.