层板-热障涂层复合结构的综合冷却效率和力学性能

摘要

为阐明层板-热障涂层（TBC）复合结构气热性能与应力分布特征，实现层板冷却结构与TBC高效耦合目标，采用共轭传热模型，提出了复合结构流-固-力耦合数值预测方法，系统研究了气膜板厚度（H_f=0.8d,1.0d,1.2d,d为气膜孔直径）与TBC厚度(H_TBC=0.6d,0.8d,1.0d)对复合结构综合冷却特性和应力分布的影响。研究结果表明：复合结构TBC表面和金属基体表面综合冷却效率对气膜板厚度变化不敏感，不同气膜板厚度下复合结构综合冷却效率差异小于1.0%。增加TBC厚度可以显著增强复合结构金属基体表面综合冷却效率，在H_TBC为1.0d时，相较于参考工况综合冷却效率增幅约为15.6%。气膜板厚度与TBC厚度对复合结构力学性能影响具有拮抗效应，随着H_f和H_TBC增加，等效应力降幅和等效应力增幅分别超过10.0%和23.5%。复合结构中气膜孔出口、金属基体/TBC交界面和气膜孔入口附近存在应力集中现象，气膜孔前缘应力沿径向呈W型分布，在金属基体/TBC交界面处出现等效应力峰值。增加气膜板厚度可以改善金属基体内部力学性能，喷涂较厚的TBC可以缓解金属基体/TBC交界面应力集中，降低TBC剥落风险，但会显著增强气膜孔出口附近应力水平（最大等效应力超过1 000 MPa）,因此建议在层板-TBC复合结构设计中采用较厚的气膜板（H_f=1.2d）和喷涂合适厚度TBC(H_TBC=0.8d)的方案。

关键词

层板冷却 / 热障涂层 / 复合结构 / 综合冷却效率 / 应力分布

基金资助

国家资助博士后研究人员计划资助项目(GZC20241345); 国家自然科学基金资助项目(52406053)