热障涂层的激光加热测试和破坏机制分析

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在现代燃气轮发动机(包括发电厂和其他推进式涡轮机)中,通过使发动机产生更多的动力和或减少燃料消耗来提高发动机的效率,是两种最有效的方法。而减少燃料消耗并增加发动机效率的最具经济效益的方法,则是开发和应用可靠的热障涂层。事实表明,燃气轮发动机的动力和效率通常随工作温度的升高而增加。但是,发动机在更高的高温下工作的能力受到涡轮组件的限制。特别是叶片需要承受来自燃烧室的热气流冲击的热量,氧化作用和腐蚀作用,并且同时仍保持足够的强度。所以,热障涂层的开发和应用变得越来越重要。热障涂层(TBC)用于保护燃气轮机发动机的高温部件,以提高热效率和部件使用寿命。本文中使用基于氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)的涂层。本次实验中的试片在顶部受到精确控制的激光加热,在底部受到压缩空气冷却。在本文中,介绍了在具有TBC涂层的试件上施加温度梯度的激光高温测试。本次实验中使用的陶瓷涂层为Zr O2-8wt.%Y2O3(8YSZ)。8YSZ材料在工业中普遍使用。本文中,分析了测试前后的孔隙率的变化,激光加热测试过程中的导热率变化、破坏分析以及冶金分析。同时,基于水平裂缝和热生长的氧化物层的几何形状,进行了有限元分析以计算残余应力和应变能释放率。本文中,采取的加热模式为循环加热。在循环测试中,激光加热15min,然后关闭激光,使其在较短的时间内冷却。在加热过程中下,试片的上表面温度保持在1150摄氏度,下表面温度保持在950摄氏度。在测试中,所有关键的测量值(包括温度,激光的功率,压缩空气流速等)都被逐秒记录。
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