吹风比对热障涂层-气膜冷却系统CMAS侵蚀过程及隔热性能的影响

摘要

针对熔融硅酸盐环境沉积物(CMAS)侵蚀诱发含冷却孔热障涂层结构热防护性能下降的问题，研究了不同吹风比下的CMAS的非均匀侵蚀行为及其对热障涂层(TBCs)隔热性能的影响．在Fluent软件中，考虑热传导、热对流和热辐射(热辐射使用离散纵坐标辐射模型)，建立共轭传热模型得到了在吹风比为1.5、1.0和0.5时TBC-气膜冷却系统的温度分布，在ABAQUS中建立三维相场模型(PFM)模拟CMAS的非均匀侵蚀行为，定量分析不同吹风比下CMAS侵蚀行为对TBC-气膜冷却系统温度分布的影响．分析了侵蚀300 h前后TBCs-气膜冷却系统温度场的变化，探讨了在不同吹风比下CMAS非均匀侵蚀对TBCs靠近主流入口、冷却孔入口前缘、冷却孔出口后缘和主流出口4个典型位置沿涂层厚度方向路径上热阻的影响．结果表明：TBC-气膜冷却系统在工作条件下具有三维温度梯度，沿主流流动方向和沿TBCs厚度方向上有较高的温度梯度，冷却孔附近区域温度分布的不均匀度高．陶瓷(TC)层中的CMAS浓度分布呈明显的不均匀性，在高温度区域内CMAS侵蚀速率更高，吹风比降低会引起TC层温度上升，温度不均匀性下降，CMAS的侵蚀程度增加，浓度分布的不均匀性下降．CMAS侵蚀会降低TBCs的隔热性能，吹风比为1.5、1.0和0.5时，侵蚀前后TBCs在靠近主流入口位置沿厚度方向路径上热阻下降率最高，分别为16.47%、17.13%和17.55%.CMAS侵蚀对TBCs在冷却孔出口后缘的隔热性能的影响较小，热阻在侵蚀前后的变化不大．

关键词

吹风比 / 热障涂层 / CMAS非均匀侵蚀 / 隔热性能

基金资助

国家自然科学基金资助项目(52205166); 天津市自然科学基金资助项目(22JCQNJC00350); 中国博士后科学基金资助项目(2021M702430)