Los recubrimientos de barrera térmica (TBC) se utilizan ampliamente en motores de turbina de gas para obtener temperaturas de trabajo elevadas y mejorar la eficiencia del motor. La transición de fase de la capa cerámica va acompañada de una gran diferencia de volumen, lo que provoca la concentración del estrés térmico y, finalmente, hace que los TBC se caigan y fallen. Por tanto, es necesario evaluar cuantitativamente la magnitud y distribución del estrés térmico inducido por la transición de fase en la capa cerámica.
Un equipo de científicos de materiales dirigido por el Prof. Xiaoyu Chong de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Kunming en Kunming, China, estableció recientemente un método de evaluación multiescala de alto rendimiento para el estrés térmico en TBC que considera la transición de fase de los materiales cerámicos superiores acoplando primero- Cálculos de principios con simulaciones de elementos finitos.
El método evalúa y visualiza cuantitativamente la tensión térmica de la estructura de los TBC reales bajo ciclos térmicos mediante acoplamiento multicampo, lo que puede proporcionar una importante base teórica y orientación para la predicción de la vida útil y el diseño inverso de los materiales de recubrimiento.
El equipo ha publicado su trabajo en el Journal of Advanced Ceramics .
"En este informe, desarrollamos un método de evaluación multiescala de alto rendimiento para el estrés térmico en sistemas multicapa, que considera la transición de fase de los materiales cerámicos superiores combinando cálculos de primeros principios con simulaciones de elementos finitos. Este enfoque puede evaluar y visualizar cuantitativamente el tensión térmica en TBC basados en estructuras reales, considerando el entorno de servicio real sometido a ciclos térmicos", afirmó Chong, profesor de la Facultad de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Kunming (China), cuyos intereses de investigación se centran en la campo de la computación multiescala de alto rendimiento y el aprendizaje automático.
"Las propiedades termofísicas ingresadas en las simulaciones de elementos finitos se calculan mediante cálculos de primeros principios, en los que el método multiescala puede considerar la influencia de la transición de fase y la temperatura y al mismo tiempo reducir el costo y el tiempo de obtención de propiedades termofísicas mediante experimentos", continuó.
Es un desafío observar directamente el proceso de transformación de fase del revestimiento cerámico. Como una de las principales razones del fallo del recubrimiento, el estrés térmico está sujeto a una falta de pruebas cuantitativas y métodos de caracterización, y el entorno de servicio a alta temperatura también aumenta la dificultad de las pruebas de estrés térmico de transformación de fase.
"Las simulaciones de elementos finitos junto con múltiples campos físicos pueden visualizar y evaluar cuantitativamente el estrés térmico de los TBC. Sin embargo, las propiedades termofísicas requeridas para las simulaciones de elementos finitos se derivan de mediciones experimentales, que ignoran los efectos de la transición de fase y la temperatura", dijo Mengdi Gan. , el primer autor del artículo y Ph.D. estudiante supervisado por el Prof. Chong.
En el estudio, los investigadores desarrollan un método de evaluación multiescala de alto rendimiento para el estrés térmico en sistemas multicapa, que considera la transición de fase de los materiales cerámicos superiores combinando cálculos de primeros principios con simulaciones de elementos finitos.
Este enfoque puede evaluar y visualizar cuantitativamente el estrés térmico en TBC basándose en estructuras reales, considerando el entorno de servicio real sujeto a ciclos térmicos. Las propiedades termofísicas ingresadas en las simulaciones de elementos finitos se calculan mediante cálculos de primeros principios, en los que el método multiescala puede considerar la influencia de la transición de fase y la temperatura y, simultáneamente, reducir el costo y el tiempo de obtención de propiedades termofísicas mediante experimentos.
En este trabajo se utilizan tantalitas de tierras raras (RETaO4 ) se introducen como capas cerámicas y los resultados demuestran que el estrés térmico experimenta un rápido aumento cerca de la temperatura de transición de fase, particularmente en TBCs_GdTaO4 sistema. Esta discontinuidad en el estrés térmico puede deberse a grandes alteraciones en el módulo de Young y la conductividad térmica cerca de la temperatura de transición de fase.
Los TBC_NdTaO4 y TBCs_SmTaO4 Los sistemas exhiben gradientes de caída de temperatura notables y fluctuaciones mínimas de estrés térmico, lo que es beneficioso para extender la vida útil de los TBC. Este enfoque facilita la predicción de los mecanismos de falla y proporciona orientación teórica para el diseño inverso de materiales TBC para obtener sistemas de bajo estrés térmico.
Otros contribuyentes incluyen a Mengdi Gan, Tianlong Lu, Wei Yu y Jing Feng de la Facultad de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Kunming en Kunming, China.
Más información: Mengdi Gan et al, Captura y visualización de la tensión térmica mediada por la transición de fase de materiales de revestimiento de barrera térmica mediante un enfoque computacional integrado a escala cruzada, Journal of Advanced Ceramics (2024). DOI:10.26599/JAC.2024.9220864
Proporcionado por Tsinghua University Press
