陶瓷基复合材料环境障碍涂层表面粗糙度变化预测方法技术

本发明专利技术针对如何提高构件在高温燃气环境下的气动性能和传热性能的准确预测和控制，实现高温燃气环境下EBCs表面微结构的演变以及获得EBCs/CMCs表面粗糙度的预测的技术问题，提供了一种陶瓷基复合材料环境障碍涂层表面粗糙度变化预测方法。该方法综合考虑了涂层材料初始几何形貌结构，耦合了高温燃气流的气动力与热化学反应的作用，基于热/力/氧耦合模型实现了涂层体系内部应力的模拟，对高温燃气作用一定时间之后的形貌做出模拟。本发明专利技术所涉及到的理论方程容易编程实现，能够较精确地对不同条件下的涂层烧蚀形貌做出模拟，为EBCs/CMCs在高温燃气环境下的寿命预测奠定基础。CMCs在高温燃气环境下的寿命预测奠定基础。CMCs在高温燃气环境下的寿命预测奠定基础。

【技术实现步骤摘要】
陶瓷基复合材料环境障碍涂层表面粗糙度变化预测方法


[0001]本专利技术属于航空航天涂层表面微结构演变领域，具体涉及一种环境障碍涂层在高温燃气环境下的表面粗糙度变化预测方法。

技术介绍

[0002]先进航空发动机要求更高的性能、更高的燃油效率以及更低的氮氧化物的排放，通常可以通过涡轮部件前端的最大进气温度来实现，但是受高温合金自身材料的限制，即使辅助于冷却手段以及热障涂层，也已经达到耐温极限，这限制了发动机推重比的进一步提高。而SiC陶瓷基复合材料(CMCs)由于其在高温下的低密度和高强度特性，可被用于高温热端部件，以替代目前的高温合金。在干燥的空气中，CMCs与氧气反应生成致密氧化膜SiO2，SiO2能隔离氧气，防止CMCs被进一步氧化。然而实际服役环境中含有高温水蒸气，SiO2将与水蒸气反应生成易挥发的Si(OH)4，挥发性的Si(OH)4可以很容易地被高压热流带走，使硅基CMC持续暴露在燃气中，使SiO2的保护作用消失。
[0003]目前，可以通过在CMCs表面沉积环境屏障涂层(EBCs)来实现隔离水氧，保护CMCs免受高温气体的腐蚀，提高CMCs耐腐蚀性能。在模拟燃烧环境中测试EBCs系统时，EBCs失效之前表面会出现严重的腐蚀，导致表面形貌变得粗糙，极大地影响了结构件的气动性能和传热性能。因此准确预测EBCs/CMCs在燃气环境下的粗糙度演变对构件的使用寿命预测和结构优化设计具有重要的工程意义。
[0004]研究表明，EBCs/CMC的失效与底层热生长二氧化硅层(TGO层)密切相关。TGO层的生长在失效过程中起着至关重要的作用。TGO的生长速度与燃气环境密切相关，受燃气在TGO中的扩散速率控制。TGO在生长过程中，纵向位置受到了空间位置的约束，使得在横向产生了生长应力，而燃气在TGO层中的扩散受其应力分布的影响，是一个典型的应力耦合过程，TGO的生长又会进一步影响涂层外表面的几何形貌。目前工程中主要是对构件在加工过程中的形貌演变进行预测，通过建立加工刀具的尺寸、行进规律和进给参数建立数值模型来预测材料表面粗糙度，这种预测通常采用神经网络和机器学习方法，仅适合于加工过程中构件的形态演化预测。高温燃气环境下由于赋予环境恶劣和涂层演变机理复杂的特点，针对试样表面在高温燃气环境下的微观结构演变方面的资料尚未见公开资料发表。因此，为了提高构件在高温燃气环境下的气动性能和传热性能的准确预测和控制，如何实现高温燃气环境下EBCs表面微结构的演变，获得EBCs/CMCs表面粗糙度的预测是本
重要而难以解决的技术问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对现有技术中的不足，提供一种陶瓷基复合材料环境障碍涂层表面粗糙度变化预测方法。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]陶瓷基复合材料环境障碍涂层表面粗糙度变化预测方法，其特征在于，包括：
[0008]步骤一：基于XCT获得环境屏障涂层的真实几何形貌；
[0009]步骤二：基于步骤一获得的真实几何形貌，建立高速燃气环境下的流场模型，进行包含EBCs/CMCs试样在内的流场分布模拟，获得气固交界面处的流场参数；
[0010]步骤三：分别将步骤一获得的真实几何形貌和步骤二获得的流场参数作为几何模型和TGO层生长的边界条件，将耦合壁上的气动力和气体组分浓度从流体域插值到固体域，进行EBCs/CMCs固体域的应力分析，获得涂层内部的应力分布；
[0011]步骤四：基于步骤三获得的应力分布，建立TGO层生长的热/力/氧耦合模型；
[0012]步骤五：基于步骤四建立的热/力/氧耦合模型，考虑高温燃气环境下的涂层相变、烧蚀和剥落行为，建立相变过程动力学、烧蚀过程的热化学反应动力学和剥落过程的冲蚀动力学，获得EBCs/CMCs表面微结构的演变规律；
[0013]步骤六：基于步骤五获得的EBCs/CMCs表面微结构的演变规律，判断服役环境下的EBCs/CMCs表面退移形式，当达到涂层几何形貌的失效条件之后，去除失效部分单元材料，更新涂层表面微观几何形貌；
[0014]步骤七：基于步骤六更新后的涂层表面微观几何形貌，修正步骤二中的流场模型，重复步骤二到步骤六，直至达到规定的高温燃气作用时间，输出EBCs/CMCs试样的最终几何形貌，根据高温燃气的流场分布特征将最终几何形貌分为多个区域，分别统计每个区域的平均试样高度特征，确定粗糙度变化。
[0015]为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
[0016]进一步地，所述步骤一中，采用μ
‑
CT测试技术获得环境屏障涂层的真实几何形貌，包括涂层外表面和涂层各层界面处的真实形貌。
[0017]进一步地，所述步骤二中，采用计算流体力学方法对其气动特性进行分析，采用剪切应力输运k
‑
ω模型表征湍流，采用二阶迎风格式对控制方程进行空间离散，采用有限化学反应速率模型模拟高温燃气环境，采用物质扩散运输方程计算高温燃气中气体浓度的含量和分布。
[0018]进一步地，所述步骤二中，采用计算流体力学方法对其气动特性进行分析，采用剪切应力输运k
‑
ω模型表征湍流，采用二阶迎风格式对控制方程进行空间离散，采用有限化学反应速率模型模拟高温燃气环境，采用物质扩散运输方程计算高温燃气中气体浓度的含量和分布。
[0019]进一步地，所述步骤四中，建立TGO层生长的热/力/氧耦合模型的具体过程如下：
[0020]高温燃气的扩散与EBCs内部热应力相互耦合作用，共同作用影响TGO层的生长，满足如下表达式：
[0021][0022][0023][0024]式中，x
o
为氧化膜厚度，x
oi
是t＝0时的氧化物厚度，D
ox
是氧化剂通过氧化层的扩散系数，其中H
c
和H
ox
分别是涂层和氧化物中氧化剂的亨利定律溶解度系数，D
c
是涂层的扩散系数，k是反应速率常数，h为气体的通量，δ为涂层厚度，C*为涂层外表面的平衡氧化剂浓度；
[0025]应力氧化过程中的平衡方程为：
[0026]σ
ox
x+σ
s
(H
‑
x)＝0
[0027]式中，x为氧化膜厚度随时间t的函数，σ
ox
和σ
s
为氧化膜和基体中的双轴平均应力，H为试件相对于对称轴的初始厚度；速率形式为：
[0028][0029]式中，是氧化膜的双轴平均应力σ
ox
相对于时间的导数，为氧化膜生长速率；
[0030]氧化过程中TGO层与BC层总厚度恒定不变，应变之间满足氧化过程中TGO层与BC层总厚度恒定不变，应变之间满足和分别为氧化层和基底层的应变率；
[0031]考虑弹性模型：
[0032]ε
ox
＝σ
ox
/M
ox...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.陶瓷基复合材料环境障碍涂层表面粗糙度变化预测方法，其特征在于，包括：步骤一：基于XCT获得环境屏障涂层的真实几何形貌；步骤二：基于步骤一获得的真实几何形貌，建立高速燃气环境下的流场模型，进行包含EBCs/CMCs试样在内的流场分布模拟，获得气固交界面处的流场参数；步骤三：分别将步骤一获得的真实几何形貌和步骤二获得的流场参数作为几何模型和TGO层生长的边界条件，将耦合壁上的气动力和气体组分浓度从流体域插值到固体域，进行EBCs/CMCs固体域的应力分析，获得涂层内部的应力分布；步骤四：基于步骤三获得的应力分布，建立TGO层生长的热/力/氧耦合模型；步骤五：基于步骤四建立的热/力/氧耦合模型，考虑高温燃气环境下的涂层相变、烧蚀和剥落行为，建立相变过程动力学、烧蚀过程的热化学反应动力学和剥落过程的冲蚀动力学，获得EBCs/CMCs表面微结构的演变规律；步骤六：基于步骤五获得的EBCs/CMCs表面微结构的演变规律，判断服役环境下的EBCs/CMCs表面退移形式，当达到涂层几何形貌的失效条件之后，去除失效部分单元材料，更新涂层表面微观几何形貌；步骤七：基于步骤六更新后的涂层表面微观几何形貌，修正步骤二中的流场模型，重复步骤二到步骤六，直至达到规定的高温燃气作用时间，输出EBCs/CMCs试样的最终几何形貌，根据高温燃气的流场分布特征将最终几何形貌分为多个区域，分别统计每个区域的平均试样高度特征，确定粗糙度变化。2.如权利要求1所述的陶瓷基复合材料环境障碍涂层表面粗糙度变化预测方法，其特征在于：所述步骤一中，采用μ
‑
CT测试技术获得环境屏障涂层的真实几何形貌，包括涂层外表面和涂层各层界面处的真实形貌。3.如权利要求1所述的陶瓷基复合材料环境障碍涂层表面粗糙度变化预测方法，其特征在于：所述步骤二中，采用计算流体力学方法对其气动特性进行分析，采用剪切应力输运k
‑
ω模型表征湍流，采用二阶迎风格式对控制方程进行空间离散，采用有限化学反应速率模型模拟高温燃气环境，采用物质扩散运输方程计算高温燃气中气体浓度的含量和分布。4.如权利要求1所述的陶瓷基复合材料环境障碍涂层表面粗糙度变化预测方法，其特征在于：所述步骤三中，在EBCs/CMCs内部微结构演化过程中，外表面流场已达到稳态，壁面压力、气体组分浓度和温度不随TGO层的生长而发生变化。5.如权利要求1所述的陶瓷基复合材料环境障碍涂层表面粗糙度变化预测方法，其特征在于：所述步骤四中，建立TGO层生长的热/力/氧耦合模型的具体过程如下：高温燃气的扩散与EBCs内部热应力相互耦合作用，共同作用影响TGO层的生长，满足如下表达式：下表达式：下表达式：式中，x
o
为氧化膜厚度，x
oi
是t＝0时的氧化物厚度，D
ox
是氧化剂通过氧化层的扩散系
数，其中H
c
和H
ox
分别是涂层和氧化物中氧化剂的亨利定律溶解度系数，D
c
是涂层的扩散系数，k是反应速率常数，h为气体的通量，δ为涂层厚度，C*为涂层外表面的平衡氧化剂浓度；应力氧化过程中的平衡方程为：σ
ox
x+σ
s
...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜金康，于国强，高希光，宋迎东，谢楚阳，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：