航空发动机涡轮叶片热障涂层模拟试验装置

热障涂层是决定未来航空发动机与燃气轮机发展水平的核心技术.涂层剥落失效是热障涂层，尤其是我国热障涂层应用与发展所急需解决的关键问题.服役环境试验模拟装置是解决热障涂层剥落失效问题的必然措施.该文从静态试验模拟装置、动态试验模拟装置两个方面对试验模拟装置的国内外研究现状和发展趋势进行了详细的评述.最后，对航空发动机涡轮叶片热障涂层模拟试验装置的关键科学和技术问题进行了展望.     

涡轮叶片热障涂层隔热性能和应力数值模拟

提高涡轮发动机进口温度是提升航空发动机推重比和热效率的主要手段,但当今先进航空发动机的进口温度已经远远超过了现有涡轮叶片材料的极限温度,发展冷却技术和热障涂层技术成为解决这一问题的关键.在热失配应力下热障涂层界面易出现裂纹的萌生和扩展,会直接导致热障涂层的失效,进而威胁到整个发动机的性能,因此,模拟热障涂层真实服役环境下的温度场和应力场分布,对于预测热障涂层的隔热效率和剥落位置极其重要.该文基于流固耦合的方法,运用商业软件ANASYS CFX模拟了带TBCs的三维涡轮叶片的温度场,并进一步计算了热障涂层的热应力.结果发现热障涂层在叶片前缘和压力面区域有更好的隔热性能,热障涂层在叶根和气膜孔处有更大的应力,是热障涂层剥落的危险区域.     

先进热障涂层的强韧和破坏机制的标准规范研究

燃气涡轮发动机是高性能航空发动机和重型燃气轮机的主要形式与发展趋势,是体现国家核心竞争力与科技水平的重要标志.热障涂层是提高航空发动机和重型燃气轮机服役温度最切实可行的办法,但热障涂层的应用与发展面临系列挑战,在我国尤为突出,如涂层过早剥落,性能不稳定,承温能力不足等.该文对先进热障涂层的强韧和破坏机制的标准规范研究进行了详细的评述.具体包括:锆钽系涂层有望成为下一代高性能热障涂层,基于铁弹增韧的应变梯度调控的涂层成分与结构设计,基于界面粗糙度与晶粒纳米化的尺度效应的强界面设计,先进热障涂层微结构与强韧及破坏的关联,热障涂层制备装备与跨尺度力学行为的表征技术,跨尺度力学性能与破坏表征的标准规范.最后提出了未来的重点研究方向.     

基于相场法的高温烧结条件下等离子喷涂热障涂层微结构演化模拟

为提高航空发动机性能,热障涂层被广泛地用于涡轮叶片上.涂层在高温下服役时,会发生烧结,使涂层变得更加致密,从而不可避免地增加了热障涂层的弹性模量和热导系数,强烈地影响了涂层的耐用性、效率和性能.该文针对等离子喷涂制备的热障涂层,建立了涂层的二维真实微结构有限元模型,并运用相场模型研究了在1 400℃烧结条件下涂层微结构随时间演化的动态规律.计算结果表明:在烧结初期,涂层中微裂纹在最窄处迅速愈合,并开始形成不连续的单个小孔隙.烧结中期,前期由微裂纹产生的孔隙不断愈合,或者与相邻孔隙合并.烧结后期,涂层前期微裂纹大都形成了球形,孔隙间相对距离大,较小孔隙主要是以愈合的方式消失,涂层孔隙率随烧结时间的增加先迅速下降后趋于平稳.模拟的结果与实验结果相吻合.     

航空发动机涡轮叶片热障涂层

正燃气涡轮发动机是国家科技核心竞争力的重要体现,而越来越高的涡轮前燃气进口温度则是先进燃气涡轮发动机的一大特征。高压涡轮叶片是发动机中承温和承载最为苛刻的核心部件,也是制约发动机发展的关键短板。高温合金是目前高压涡轮叶片唯一可行的结构材料,其中最先进单晶合金的承温能力为1 150℃左右,已接近高温合金的承温极限。即使采用先进的气膜冷却技术,到达叶片合金表面的燃气温度仍高于叶片合金的承温极限。国际公认,热障涂层是大幅提高发动机服役温度最切实可行的办法,故世界各航空强国均在     

循环热力载荷下含冷却孔热障涂层的强度分析

在实际服役工况下，燃气轮机涡轮叶片热障涂层较易在冷却孔附近产生开裂和脱落，造成严重的安全问题.为了深入研究这一过程中的机理，该文通过建立含冷却孔热障涂层系统的三维有限元模型，以实际工况下流固耦合计算得到的温度场作为边界条件，分析循环热力载荷下热障涂层内部应力分布和发展趋势.结果表明，在冷却孔附近的涂层界面间存在应力集中现象，且随着循环应力数值增大，应力集中区域发生迁移.TGO层的不规则生长导致了应力在孔口附近界面处集中，特别是孔口上游区域的TC/TGO界面和TGO/BC界面处.     

等离子喷涂 物理气相沉积用YSZ粉末 制备及涂层表征

热障涂层与高温合金、气膜冷却技术并称为航空发动机涡轮叶片的三大关键技术.等离子喷涂 物理气相沉积（PS PVD）工艺是最具潜力的未来航空发动机热障涂层制备方法之一，其制备的羽 柱状结构热障涂层兼具APS和EB PVD热障涂层的优点.为了进一步提高热障涂层性能，需要开发与PS PVD工艺相匹配的新型YSZ粉末.该文先采用喷雾干燥法制备出3种不同纳米团聚YSZ粉末，再使用相同PS PVD工艺制备成涂层，最后对粉末特性和涂层性能进行评价，以研究制粉工艺 粉末特性 涂层性能之间的联系.实验结果表明：悬浮液固含量越高，制备出的粉末呈现球形越规则，粒径也越大，喷涂的气化率和沉积率越高；制备的YSZ涂层由致密初始生长层和羽 柱状结构两部分构成；使用固含量45%的悬浮液制备的粉末喷涂所获得的涂层具有良好的结合强度和抗热震性能.     

热障涂层损伤机理的热力化耦合理论与表征方法

热障涂层(TBCs)是提高发动机服役温度最切实可行的办法，航空发动机推重比、可靠性、热效率的任何一点进步都将依赖于热障涂层技术的发展.剥落失效是制约国际热障涂层发展与应用的重要瓶颈，这一瓶颈在我国尤为突出，但目前人们对热障涂层剥落失效的热力化耦合本质机制理解还很不透彻，缺乏合适的理论模型与分析方法来分析和控制涂层的过早剥落.针对“剥落失效”制约TBCs发展与应用的瓶颈问题提炼出热障涂层损伤机理的热力化耦合理论与实验方法的关键科学问题.基于该科学问题进行了详细的评述，包括建立TBCs破坏机制分析的热力化耦合理论模型，发展考虑实际几何形状、真实微观结构、复杂服役环境与热力化耦合理论模型的有限元模拟方法，结合TBCs热力化耦合破坏实验的研究，分析TBCs高温氧化、CMAS腐蚀、冲蚀，以及三者共同作用的热力化耦合破坏机理，提炼出影响TBCs剥落失效的关键因素.在此基础上，发展TBCs关键性能的表征方法，并建立关键因素与TBCs材料、工艺之间的关联，指导TBCs的优化设计与安全应用.最后提出了未来的重点研究方向.     

不同制备工艺的热障涂层高温下TGO生长规律及微观结构的演变分析

热障涂层作为一种耐高温、耐腐蚀的热防护陶瓷材料,被广泛应用于航空发动机的高温部件,改善了发动机的耐高温性能且延长了其服役寿命.在高温服役环境中,由于界面氧化导致的TGO生长是诱发涂层剥落失效的主要原因.剥落失效是制约热障涂层在高性能航空发动机上安全应用的重要瓶颈,因此准确预测高温下热障涂层TGO的生长规律及微观形貌的演变规律对理解热障涂层界面氧化剥落失效至关重要.基于此,该文开展了不同制备工艺热障涂层材料的高温氧化实验,来分析TGO的生长规律以及微观形貌演变规律.实验结果表明:NiCrAlYSi黏结层氧化速率最快,抗氧化性能最差,TGO的生长不规则,氧化后期容易剥落.NiCrAl合金样品在高温下的氧化速率较慢,TGO的生长缓慢,抗氧化性能较好.Pt扩散黏结层的氧化速率介于两者之间,TGO的生长速率缓慢.在分析合金材料氧化的过程中,发现样品表面的粗糙度对TGO的生长有较大的影响,表面粗糙度越小TGO的生长速率越快,与基底的结合性越好.     

航空发动机压气机叶片防护涂层冲蚀破坏模拟

压气机叶片是航空发动机的重要零件之一,直升机飞行、起飞、降落过程中,空气中的固体粒子会随着高速气流进入压气机,对压气机叶片造成冲蚀破坏.在叶片表面镀抗冲蚀防护涂层是保护压气机叶片的有效措施,目前使用最多的抗冲蚀涂层为TiAlN涂层.由于固体粒子的冲蚀速度、冲击角度、粒子粒径等条件不同,对叶片造成的冲蚀破坏也不一样.对压气机叶片进行防护涂层冲蚀破坏模拟可以有效地预测冲蚀位置和冲蚀程度.该文通过建立冲蚀模型,从粒子粒径、冲蚀速度方面对冲蚀结果进行分析.     

La_2Ce_2O_7/YSZ热障涂层抗CMAS腐蚀及机制研究

热障涂层以其耐高温、高隔热的优异性能,成为航空发动机热端部件不可或缺的材料.然而,在其服役过程中,涂层不可避免地会受到大气中以钙、镁、铝、硅氧化物为主要成分(CMAS)的熔体腐蚀,最终导致其剥落失效.该文以大气等离子喷涂方法制备的La_2Ce_2O_7(LCO)/YSZ双陶瓷涂层为研究对象,利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)等表征手段,对经CMAS及火山灰腐蚀前后涂层的微观组织结构及物相组成进行表征与鉴定,并分析其抗腐蚀机制.研究表明经高温腐蚀后,YSZ涂层会生成m-ZrO_2及ZrSiO_4,而LCO粉末在1 250℃下与CMAS反应5 h后,其中的CeO_2依然保持稳定,证明其不与CMAS反应.CMAS及火山灰与LCO反应后会生成钙长石、尖晶石及La_2Si_2O_7等高熔点物质,从而能有效地延缓CMAS对涂层的侵蚀.该研究的开展将为新型抗CMAS涂层的成分设计提供指导.     

等离子 物理气相沉积（PS PVD）热障涂层的 结构调控与高隔热机理

等离子 物理气相沉积（PS PVD）是一种利用等离子体加热蒸发材料进行涂层沉积的新技术，结合了等离子喷涂与物理气相沉积两种不同工艺的优点，可实现涂层结构从宏观到介观再到微观的跨尺度定制调控，被认为是代表航空发动机和燃气轮机防护涂层领域未来高性能热障涂层（TBCs）/环境障涂层（EBCs）制备技术的发展方向.如何实现涂层结构的可定制化制备调控一直是PS PVD技术研究的热点，该文基于目前PS PVD热障涂层研究现状，分析了PS PVD涂层结构与材料相态的关系，进一步结合本课题组在材料多相态调控与沉积机理方面的研究，分析了PS PVD射流中材料快速加热气化和长距离多模式输运沉积的全过程，结合Monte Carlo模拟结果与实验结果，揭示了PS PVD涂层形成机理，阐明了涂层同时具有高热变容限与高隔热双重优异性能的结构机理，为制备新型高性能TBCs提供了理论基础.     

稀土钽酸盐热障涂层材料热物理性能优化

热障涂层材料作为航空发动机及燃气轮机高温部件的热防护涂层，可改善高温部件的服役条件，延长服役寿命，节约燃料.目前使用最多的热障涂层材料氧化钇稳定氧化锆(YSZ)在高温下(>1 200 ℃)发生相变体积变化易导致涂层失效，同时热导率(2.5 W·m-1·K-1，900 ℃)仍然偏高，这些问题严重限制了其进一步的发展.近年来，稀土钽酸盐陶瓷材料（RETaO4,RE3TaO7,RE为稀土元素）因其优良的热物理性能和力学性能引起了广泛关注，并且通过掺杂、置换、合金化效应等手段在晶体中引入缺陷可进一步降低稀土钽酸盐的热导率(1.04~1.30 W·m-1·K-1，900 ℃)，其与YSZ系列相比热导率下降超过50%，而其热膨胀系数为10.2×10-6~11.8×10-6 K-1(1 200 ℃) 明显高于YSZ，与此同时稀土钽酸盐陶瓷的高温相稳定性及力学性能都得到了不同程度的改善.该文对过去稀土钽酸盐陶瓷材料的热物理性能优化情况进行总结，并对其未来发展及研究方向进行了展望.     

含沙水流对离心泵叶片局部磨损破坏的数值分析

为了研究离心泵叶片出现局部磨损破坏现象的原因,以甘肃景电二期所用的1200S56双吸离心泵为研究对象,基于Navier-Stokes方程和标准的k-ε湍流模型,利用Fluent软件对双吸离心泵固液两相流动进行数值模拟,通过对比清水工况下的实验和数值模拟结果,发现泵的扬程和效率误差均在3%以内,验证了数值模拟的可行性与准确性。通过分析在输送不同流体(清水和含沙水)时泵的内部流场发现:离心泵在不同工况运行时,回流出现在叶片的位置不同。大流量工况的会留位置与叶轮实际磨损位置一致。回流引起的磨损是导致离心泵叶片入口位置穿孔破坏的主要原因。     

用于热障涂层氧化测量的复阻抗谱中等效电路参数的确定

建立了热障涂层在不同氧化阶段的等效电路,确立了等效电路中各元件参数与阻抗表征值之间的关系,确定了各元件的参数值,以达到对热障涂层微观结构以及TGO(其界面氧化物称为热生成氧化物(TGO))生长过程的检测.运用EQU软件模拟发现,等效电路阻抗谱与实测阻抗谱有很好的一致性,同时等效电路中参数值的计算与模拟的结果符合得很好.     

热循环条件下圆柱结构热障涂层系统应力场演变分析

基于弹性热力学,建立了一个四层空心圆柱结构热障涂层系统的应力模型和解析解.在考虑了弹塑性变形和蠕变变形影响的条件下,分析了热循环次数、基底曲率半径和热循环温度对TBCs系统残余应力的影响.随着热循环次数的增加,TBCs系统内不匹配残余应力的差异不断加剧.氧化层内环向应力和轴向应力数值大约为-2.2 GPa,是其他三层相应应力的10倍,具有明显的应力奇异性.该特性必然加剧TBCs的界面裂纹扩展和涂层剥落.基底曲率半径越小,陶瓷表面服役温度越高,越容易造成TBCs系统内应力分布不均匀.     

发动机动态数据监测仪设计与实现

本文介绍了一个发动机动态数据监测仪装置,本装置通过检测汽车各传感器的输入信号,经汽车发动机ECU处理后,结合发动机工况,精确控制点火时刻喷油脉宽,精确调整发动机燃油消耗和功率。该装置可以直观地模拟电控发动机各个传感器和执行器的工作状态,用数据线与实车相连后,可以观察各传感器执行器运行状态,且可用于发动机电控检测教学。     

发动机动态数据监测仪设计与实现

本文介绍了一个发动机动态数据监测仪装置,本装置通过检测汽车各传感器的输入信号,经汽车发动机ECU处理后,结合发动机工况,精确控制点火时刻喷油脉宽,精确调整发动机燃油消耗和功率。该装置可以直观地模拟电控发动机各个传感器和执行器的工作状态,用数据线与实车相连后,可以观察各传感器执行器运行状态,且可用于发动机电控检测教学。     

在制备过程中热障涂层系统应力场有限元分析

采用有限元软件ABAQUS建立了非齐边三层平板结构热障涂层模型,并模拟了在制备过程中其残余应力的分布情况,主要讨论了沉积温度、陶瓷层厚度对其残余应力场分布的影响.计算表明：沉积温度越高,陶瓷层厚度越厚,容易造成陶瓷层端部应力分布不均匀区域变大,同时对基底应力场不均匀分布影响区域也越深;在不同的陶瓷层厚度和沉积温度条件下,陶瓷层和过渡层均处于压应力状态,其数值分别在-50 ~ -300 MPa和-30~-140 MPa范围内,而基底则处于拉应力状态,其值变化在5 ~ 55 MPa范围内;陶瓷层与过度层界面剪切残余应力呈双曲正弦分布,且在界面中间剪切残余应力的值接近于零.这些模拟结果将进一步完善解析解所预测的残余应力场分布情况,为后期采用拉伸法研究热障涂层系统界面结合性能时提供重要的应力分析基础.     

发动机冷却系统热管理模型的仿真分析

汽车发动机冷却系统热管理对提高燃料经济性和节能减排有直接和间接的影响,因此,发动机冷却系统的热管理越来越受到了人们的关注。本文,笔者利用AMEsim软件为一台轿车发动机的冷却系统建立了热管理仿真模型,利用该模型进行发动机稳态丁况的模拟仿真分析，评价各工况的冷却能力，为冷却系统的设计选型提供了初步的评判依据。