طراحی و بهینه سازی ساختار پوشش سد حرارتی ایجاد شده به روش پاشش پلاسمایی از طریق شبیه سازی المان محدود

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی مواد، دانشگاه علم و صنعت

2 دانشکده مهندسی مواد و متالورژی، دانشگاه مالک اشتر

چکیده

پوشش‌های سد حرارتی با هدف عایق کردن اجزای موجود در بخش‌های داغ توربین‌های گازی در جهت افزایش دمای کاری و بازدهی این قطعات مورد استفاده قرار می‌گیرند. در این پژوهش، توزیع حرارت و تنش پسماند در پوشش‌ سد حرارتی درجه بندی شده با فصل مشترک سینوسی به روش المان محدود در محیط نرم افزار آباکوس شبیه‌سازی شده است. خواص فیزیکی، حرارتی و مکانیکی ماده در مدل، وابسته به دما تعریف شد. نتایج نشان داد که بیشترین میزان بارحرارتی، تنش‌های پسماند و اعوجاج بصورت عمده در ناحیه پوشش سطحی سرامیکی متمرکز شده است.  روند کیفی یا علامت جبری تنش در ناهمواری‌های سطحی نیز چه در حین بالارفتن دمای مجموعه تا دمای سرویس و چه در حین سردشدن تا دمای محیط دارای الگوی یکسانی است. درجه‌بندی شدن سیستم پوشش سد حرارتی، میزان تنش را تا حدود نصف نسبت به سیستم معمولی کاهش می‌دهد و به افزایش عمر سیستم سد حرارتی کمک می‌کند.

کلیدواژه‌ها


  1. K. A. Khor, Y. W. G., Thermal properties of plasma-sprayed functionally graded thermal barrier coatings. Thin Solid Films, 372) 2000(104-113.
  2. G. Di Girolamo, C. Blasi, A. Brentari, M. Schioppa, Microstructure and thermal properties of plasma-sprayed ceramic thermal barrier coatings, Studi & ricerche, research papers, 1-2 (2013) 69-76.
  3. C. R. C. Lima, N.Cinca, J.M.Guilemany, Study of the high temperature oxidation performance of Thermal Barrier Coatings with HVOF sprayed bond coat and incorporating a PVD ceramic interlayer, Ceramics International, 38(2012) 6423-6429.
  4. L. Jin, L. Ni, Q. Yu, A. Rauf, Ch. Zhou, Thermal cyclic life and failure mechanism of nanostructured 13 wt%Al2O3 doped YSZ coating prepared by atmospheric plasma spraying, Ceramics International, 38) 2012( 2983-2989.
  5. م. رحیمی پور و م. مهدی پور، لایه نشانی پلاسمایی MCrAlY/YSZ بر روی سوپر آلیاژ Inconel 738 و بررسی رفتار خوردگی داغ آن، نشریه علمی پژوهشی علوم و مهندسی سطح، 14 (1391) 75-67.
    1. R. Vaßen, M. Ophelia Jarligo, T. Steinke, D. Emil Mack, D. Stöver, Overview on advanced thermal barrier coatings, Surface & Coatings Technology, 205 (2010) 938-942.
    2. L. Wang, Y. Wang, X. G. Sun, J.Q. He, Z.Y. Pan, C.H. Wang, A novel structure design towards extremely low thermal conductivity for thermal barrier coatings – Experimental and mathematical study, Materials and design, 35(2012)505-517.
    3. ح. جمالی، ر. مظفری نیا، ر. شجاع رضوی و ر. احمدی پیدانی، ارزیابی ظرفیت عایق سازی حرارتی پوشش های سد حرارتی پایه زیرکنیایی پاشش پلاسمایی شده، مجله علمی پژوهشی مهندسی سطح،14 (1391) 87-77.
    4. ح. زرگر، ح. سرپولکی و ح. رضایی، آشنایی با پوشش های سرامیکی محافظ حرارت و روشهای اعمال، فصلنامه سرامیک ایران، 6-5 (1385) 59-45.
      1. O. Sarikayaa, E. Celik, Effects of residual stress on thickness and interlayer of thermal barrier ceramic MgO–ZrO2 coatings on Niand AlSi substrates using finite element method, Materials and Design, 23 (2002) 645–650.
      2. R. M. Mahamood, E. T. Akinlabi Member, Iaeng, M. Shukla and S. Pityana, Functionally Graded Material: An Overview, Proceedings of the World Congress on Engineering, London, U.K., 2012.
      3. A. M. Khoddami, A. Sabour, S. M. M. Hadavi, Microstructure formation in thermally-sprayed duplex and functionally graded NiCrAlY/Yttria-Stabilized Zirconia coatings, Surface & Coatings Technology, 201 (2007) 6019–6024.
      4. B. Watremetz, M. C. Baietto-Dubourg, A. A. Lubrecht, 2D thermo-mechanical contact simulations in a functionally graded material: A multigrid-based approach, Tribology International, 40 (2007) 754–762.
      5. X. C. Zhang, B. S.  Xu, H. D. Wang, Y. X. Wu, Modeling of the residual stresses in plasma-spraying functionally graded ZrO2/NiCoCrAlY coatings using finite element method, Materials and Design, 27 (2006) 308-315.
      6. B. Saeedi, A. Sabour, A. Ebadi and A. M. Khoddami, Influence of the Thermal Barrier Coatings Design on the Oxidation Behavior, J. Mater. Sci. Technol., 25 )4((2009) .
      7. M. Baker, Finite element simulation of interface cracks in thermal barrier coatings, Computational Materials Science, 64(2012) 79-83.
      8. Zheng Chen, N. Q. Wu, J. Singh, S. X. Mao, Effect of Al2O3 overlay on hot corrosion behavior of Yttria stabilized coating in molten sulfate-vanadate salt. The Solid Films, 443 (2003) 46-52.
      9. S. Akbarpour, H. R. Motamedian, A. Abedian, Micromechanical FEM modeling of thermal stresses in functionally graded materials, 26th International Congress Of The Aeronautical Sciences,  Anchorage,  Alaska, USA(2008).
      10. X. Q. Cao, R. Vassen, D. Stoever, Ceramic materials for thermal barrier coatings, Journal of the European Ceramic Society, 24 (2004) 1–10.
      11. S. Zhang, D. Zhao, Aerospace Materials Handbook, CRC Press, 1 (2012).
      12. M. N. Baig, F. A. Khalid, F. N. Khan, K.Rehman, Properties and residual stress distribution of plasma sprayed magnesia stabilized zirconia thermal barrier coatings, Ceramics International, 40(3) (2014) 4853-4868.
      13. K. Sfar, J. Aktaa, D. Munz, Numerical investigation of residual stress fields andcrack behavior in TBC systems, Mat. Science and Engineering A, 333 (2002) 351-360.
      14. M. Białas, P. Majerus, R. Herzog, Z. Mróz, Numerical simulation of segmentationcracking in thermal barrier coatings by means of cohesive zone elements, Materials Science and Engineering A, 412 (2005), 241-251.
      15. J. J. Sobczak, L. Drenchev, Metallic Functionally Graded Materials: A Specific Class of Advanced Composites, J. Mater. Sci. Technol., 29(4) (2013) 297-316.
      16. Z. Han, B. Xu, H. Wang, S. Zhou, A comparison of thermal shock behavior between currently plasma spray and supersonic plasma spray CeO2–Y2O3–ZrO2 graded thermal barrier coatings", Surface & Coatings Technology, 201 (2007) 5253–5256.