【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及航空发动机热障涂层领域，更具体地涉及一种氧化锆基热障涂层熔融cmas渗透行为的预测方法。
技术介绍
1、热障涂层(thermal barrier coatings,tbcs)是一种由耐火氧化物陶瓷组成的典型防护型涂层，制备于航空发动机中的高温合金热端部件表面，可以有效地将高温燃气与金属热端部件隔离、降低这些金属部件表面温度，使其可以在超过其熔化温度的情况下服役，进而提升航空发动机的热效率。
2、熔融硅酸盐，即钙镁铝硅酸盐(calcium-magnesium-alumino-silicate,cmas)，通常来源于空气中的沙砾、火山灰或燃料残渣，熔点在1463-1533k，是航空发动机常见的腐蚀物。服役过程中，cmas颗粒会从空气进入到发动机内部，当环境温度超过其熔点时，发生熔融并附着在高温热障涂层表面，并且极易渗透到涂层的孔隙中。在冷却过程中，cmas固化，这增加了涂层的面内弹性模量、涂层刚度增加。随着cmas渗透深度的增加，cmas渗透涂层的应变能释放速率增大，使涂层更容易分层、剥离。另一方面，随着cmas渗透的进行，cmas填充引起的孔隙率下降逐步加剧，进一步减小了热障涂层的应变容限以及隔热性能。因此，cmas渗透是影响热障涂层失效的关键因素。
3、目前，已经开发出了多种抗cmas腐蚀的热障涂层材料以及涂层微观结构设计方法。如利用料浆法在热障涂层表面涂敷一层ti2alc混合相防护层，有效阻止cmas在涂层中的渗透；通过溶液前驱体等离子喷涂的方法在陶瓷涂层顶部开发出一种具有团簇状突起的微纳
4、尽管这些现有的技术能够有效提升热障涂层体系中的抗cmas渗透性能，但目前在预测热障涂层cmas渗透行为方面尚不存在相关的技术手段，无法根据制得涂层的微观结构判断并预测涂层的抗cmas渗透性能。因此，亟需建立一种无损的cmas腐蚀行为的预测方法，这对于热障涂层体系寿命评价、材料成分及涂层微观结构优化均具有重要意义。
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本专利技术旨在提供一种氧化锆基热障涂层熔融cmas渗透行为的预测方法，通过该方法可以根据涂层的微观结构特征预测其抗熔融cmas渗透性能、实现热障涂层cmas渗透性能的无损检测，并进一步指导抗cmas渗透热障涂层的微观结构设计。
2、为解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：
3、本专利技术提供一种氧化锆基热障涂层熔融cmas渗透行为的预测方法，包括以下步骤：
4、s1：制备热障涂层，利用扫描电子显微镜获取热障涂层的微观结构图像；
5、s2：利用matlab图像处理，构建基于热障涂层的微观结构图像的数值模型；
6、s3：将建立的数值模型在comsol multiphysics中进行网格划分；
7、s4：根据carman-kozeny模型，结合达西定律，建立反映涂层内部熔融cmas渗透时间-孔隙率-渗透路径复杂度-渗透接触角之间关系的本构方程；
8、s5：选择物理场接口，将本构方程带入comsol multiphysics中，设置参数及边界条件进行计算；
9、s6：对计算结果进行后处理，得到热障涂层微观结构内部的cmas渗透行为。
10、优选的，步骤s1中，制备热障涂层的方法为：等离子喷涂、电子束物理气相沉积或等离子喷涂-物理气相沉积；
11、优选的，所述热障涂层为氧化锆基热障涂层；所述热障涂层组分为8wt％y2o3-zro2。
12、优选的，步骤s2中，利用matlab图像处理，将热障涂层的微观结构图像通过灰色阈值函数确实阈值，用im2bw函数将热障涂层的微观结构图像转换为基于阈值的二值图像，并利用imerode和imexpate函数消除二值图像中的噪声，最后将处理后的二值图转化为矢量图，完成建模。
13、优选的，步骤s3中，采用comsol multiphysics中物理场控制网格，单元类型为自由三角形网格，最大网格尺寸为0.2μm，最小网格尺寸为0.004μm，模拟cmas渗透过程采用自适应网格。
14、优选的，步骤s4的具体方法为：
15、(1)以达西定律为基础，建立有关熔融cmas渗透时间的关系式；
16、(2)基于步骤s3中建立的数值模型，建立有关cmas渗透孔隙的有效半径的关系式；
17、(3)根据carman-kozeny模型，建立cmas渗透率与热障涂层内部微观结构之间的关系式；
18、(4)结合步骤(1)-(3)，建立涂层内部熔融cmas渗透时间-孔隙率-渗透路径复杂度-渗透接触角之间关系的本构方程。
19、优选的，有关熔融cmas渗透时间的关系式为：
20、
21、其中，t为熔融cmas渗透时间，s；r为cmas渗透孔隙的有效半径，μm；μ为熔融cmas粘度，pa·s；x为模型高度，μm；σ为熔融cmas的表面张力，n/m；θ为熔融cmas与模型间的接触角，°；k为模型中的cmas渗透率,μm2。
22、优选的，有关cmas渗透孔隙的有效半径的关系式为：
23、
24、其中，b为模型的等效半径，μm；a为模型中未融粒子的等效半径，μm。
25、优选的，cmas渗透率与热障涂层内部微观结构之间的关系式为：
26、
27、其中，k为模型中的cmas渗透率，μm2；φ为孔隙率，％；τ为几何形状因子，用来描述渗透路径的复杂程度，其等于渗透孔隙的有效面积/未熔颗粒的有效面积。
28、优选的，涂层内部熔融cmas渗透时间-孔隙率-渗透路径复杂度-渗透接触角之间关系的本构方程为：
29、
30、优选的，步骤s5中，comsol模拟选择相场和层流接口，模型边界固定，上表面cmas初始浓度为1，下表面cmas初始浓度为0，模型所有外表面cmas浓度为0；设置瞬态研究，输出步长为0.01秒；
31、步骤s6中，cmas渗透行为包括：熔融cmas在模型内部不同时间的渗透区域以及渗透深度变化。
32、本专利技术的技术方案取得了如下有益的技术效果：
33、1.本专利技术提供了一种基于热障涂层微观结构预测涂层内部熔融cmas渗透行为的方法，可以准确模拟热障涂层微观结构内部的cmas渗透过程，该方法经济、高效且对检测样品无损伤，填补了相关领域的研究空白。
34、2.本专利技术方法可以阐明涂层微观结构与cmas渗透行为之间的关联，为热障涂层领域通过涂层微观结构调控提高抗cmas渗透性能提供有效指导。
35、3.本专利技术提供的技术方案综合考虑了孔隙率、未融粒子、渗透路径复杂度、渗透接触角等多种因素对熔融cmas在热障涂层内部渗透行为的影响，可适用于多种沉积方法制备的热障涂层微观结本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种氧化锆基热障涂层熔融CMAS渗透行为的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的预测方法，其特征在于，步骤S1中，制备热障涂层的方法为：等离子喷涂、电子束物理气相沉积或等离子喷涂-物理气相沉积。
3.如权利要求1所述的预测方法，其特征在于，步骤S2中，利用MATLAB图像处理，将热障涂层的微观结构图像通过灰色阈值函数确实阈值，用im2bw函数将热障涂层的微观结构图像转换为基于阈值的二值图像，并利用imerode和imexpate函数消除二值图像中的噪声，最后将处理后的二值图转化为矢量图，完成建模。
4.如权利要求1所述的预测方法，其特征在于，步骤S3中，采用COMSOL Multiphysics中物理场控制网格，单元类型为自由三角形网格，最大网格尺寸为0.2μm，最小网格尺寸为0.004μm，模拟CMAS渗透过程采用自适应网格。
5.如权利要求1所述的预测方法，其特征在于，步骤S4的具体方法为：
6.如权利要求5所述的预测方法，其特征在于，有关熔融CMAS渗透时间的关系式为：
7.如
8.如权利要求7所述的预测方法，其特征在于，CMAS渗透率与热障涂层内部微观结构之间的关系式为：
9.如权利要求8所述的预测方法，其特征在于，涂层内部熔融CMAS渗透时间-孔隙率-渗透路径复杂度-渗透接触角之间关系的本构方程为：
10.如权利要求1所述的预测方法，其特征在于，步骤S5中，COMSOL模拟选择相场和层流接口，模型边界固定，上表面CMAS初始浓度为1，下表面CMAS初始浓度为0，模型所有外表面CMAS浓度为0；设置瞬态研究，输出步长为0.01秒；
...【技术特征摘要】
1.一种氧化锆基热障涂层熔融cmas渗透行为的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的预测方法，其特征在于，步骤s1中，制备热障涂层的方法为：等离子喷涂、电子束物理气相沉积或等离子喷涂-物理气相沉积。
3.如权利要求1所述的预测方法，其特征在于，步骤s2中，利用matlab图像处理，将热障涂层的微观结构图像通过灰色阈值函数确实阈值，用im2bw函数将热障涂层的微观结构图像转换为基于阈值的二值图像，并利用imerode和imexpate函数消除二值图像中的噪声，最后将处理后的二值图转化为矢量图，完成建模。
4.如权利要求1所述的预测方法，其特征在于，步骤s3中，采用comsol multiphysics中物理场控制网格，单元类型为自由三角形网格，最大网格尺寸为0.2μm，最小网格尺寸为0.004μm，模拟cmas渗透过程采用...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨挺，曲景奎，刘永茂，边志伟，
申请(专利权)人：内蒙古科学技术研究院，
类型：发明
国别省市：
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