[发明专利]一种涡轮叶片热障涂层厚度优化设计方法

说明书

本发明公开了一种涡轮叶片热障涂层厚度优化设计方法，属于表面涂层防护技术领域，通过在涡轮叶片上选取均匀分布的代表节点，以代表节点位置的温度和应力结果来反映各局部区域的状态，将复杂叶片的TBCs厚度分析等效为对有限数量的代表节点位置的厚度优化设计，减少了分析计算量；建立数学公式来反映高隔热性能、低应力水平和低制备成本的设计目标，通过引入多目标优化算法计算得到每个代表节点位置的最佳陶瓷层厚度，将总目标函数值作为叶片TBCs厚度的优化设计和评价参数，从而能够定量评价TBCs厚度分布方案的优劣，克服现有方法仅能定性评价的缺点，该方法有助于保证涂层服役安全和提高涂层使用效率。

技术领域

本发明属于表面涂层防护技术领域，具体涉及一种涡轮叶片热障涂层厚度优化设计方法。

背景技术

热障涂层(TBCs)是一种先进的陶瓷金属多层材料系统，在现代涡轮发动机中应用十分广泛。通过在发动机燃烧室、涡轮叶片等高温热端部件表面涂覆具有低热导率的TBCs，一方面可降低金属部件表面温度或进一步提高发动机涡轮叶片燃气入口温度，另一方面可使金属部件免受高温燃气的腐蚀和氧化，从而实现延长热端部件服役寿命和提高发动机效率的目的。以燃气轮机涡轮叶片为例，TBCs和叶片内部冷却的联合作用可有效降低高温合金表面温度100～300℃，使得合金基底能够在高于其熔点温度的环境下长期稳定服役。

TBCs主要由陶瓷层、金属粘接层、高温合金基底、以及在陶瓷层/粘接层界面形成的热生长氧化层构成。TBCs各层材料间存在较大的性能差异，使得制备或高温服役过程中在涂层内部产生显著的热失配应力。较高的热失配应力可能诱发涂层内部裂纹的萌生和扩展，进而导致涂层的剥离失效。因此，应力水平是影响涂层服役寿命的重要因素。TBCs的隔热作用主要依靠表面陶瓷层实现，在给定热流密度的情况下，陶瓷层的热导率和厚度是TBCs隔热性能的两个决定性因素。在选定陶瓷层材料后，TBCs的隔热性能随着陶瓷层厚度的增加而提高，然而涂层内部的应力水平也可能不断升高。对陶瓷层厚度进行设计时，在满足涂层隔热性能的情况下需控制其内部的应力水平，并有必要考虑涂层的制备成本。因此，TBCs结构设计是一个在满足涂层高隔热性能、低应力水平和低制备成本等约束条件下的多目标优化问题。

对涡轮叶片表面涂覆的TBCs进行厚度优化设计，有助于保证涂层服役安全，并提高其性能及使用效率。然而，当前的现有技术只能定性给出涡轮叶片TBCs厚度的大致分布，无法实现准确的厚度分布优化设计，缺少针对TBCs厚度设计优劣的评价。因此，随着表面涂层技术的不断快速发展，在工程应用中迫切需要发展涡轮叶片TBCs的厚度优化设计方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种涡轮叶片热障涂层厚度优化设计方法，该方法能够简单高效的进行优劣的定量评价，有助于保证涂层服役安全和提高涂层使用效率。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种涡轮叶片热障涂层厚度优化设计方法，包括以下步骤：

步骤1：确定TBCs各层厚度；

TBCs包含陶瓷层、粘结层及热生长氧化层，为陶瓷层、粘结层及热生长氧化层赋予厚度值；

陶瓷层厚度为k×100μm，k为分析次数的编号，即步骤1至步骤6的重复次数，k＝1,2,…,10；(为了分析不同陶瓷层厚度的结果，步骤1-6需要重复10次，而每次厚度的确定是通过k*100得到的，k就是重复次数)粘接层厚度为100μm～250μm；热生长氧化层厚度为1μm～10μm；

步骤2：建立含TBCs涡轮叶片的三维有限元模型；

三维有限元模型由叶片合金基底和均匀厚度的TBCs构成，TBCs涂覆于涡轮叶片的叶身外表面和叶根平台的上表面；所述均匀厚度TBCs是指涂层覆盖区域内的陶瓷层厚度均相同，TBCs各层厚度由步骤1给定；

步骤3：对三维有限元模型进行网格划分；