23011

ارزيابي عمر خستگي ترمومكانيك قطعات داراي پوشش حائل حرارتي

كارشناسي ارشد

طراحي كاربردي - جامدات

1399/8/27

دكتر بيژن محمدي

مكانيك

بسياري از قطعات مهندسي در شرايط كاري خود تحت دماي بالا و بارگذاري نوساني دچار شكست مي¬شوند و تخمين مناسب عمر اين قطعات از اهميت بالايي برخوردار است. شكست در اين قطعات ناشي از برهم‌كنش فرآيندهايي مانند خستگي، خزش، اكسيداسيون مي‌باشد. فرآيند اكسيداسيون، به‌عنوان تابعي از دامنه كرنش، نرخ كرنش، فاز كرنش- دما، و سينتيك اكسيداسيون در نظر گرفته مي¬شود. آسيب خزش نيز بر اساس تنش، دما، فاز كرنش-دما و زمان مي¬باشد. بررسي عمر فلز پايه داراي پوشش سد حرارتي و تعيين و بهبود پارامترهاي مهم و تأثيرگذار پوشش كه در شرايط متفاوت محيطي و بارگذاري مي¬تواند بر روي عمر قطعه تأثيرگذار باشد، حائز اهميت است. در اين تحقيق در ابتدا خستگي و اهميت آن بررسي‌شده و عوامل مؤثر بر خستگي ترمومكانيكي بيان‌شده است. نحوه¬ي تأثير هر يك از مكانيزم¬هاي خرابي در خستگي ترمومكانيكي بررسي و درباره¬ي رفتار آن‌ها با توجه به محيط و شرايط بارگذاري از كارهاي محققين موردبحث قرارگرفته است. از نرم‌افزار شبيه‌سازي المان محدود آباكوس براي مدل‌سازي قطعه و پوشش حائل حرارتي روي قطعه تحت بارگذاري ترمومكانيكي، استفاده گرديده و براي بررسي و تخمين عمر ترمومكانيكي، كد سابروتين UVARM نوشته‌شده است. از مدل آسيب سيتقلو كه بر اساس مشاهدات ميكرو ساختاري آسيب در پوشش سد حرارتي كه شامل آسيب خستگي مكانيكي، اكسيداسيون و خزش مي¬باشد، استفاده‌شده است. آسيب خستگي مكانيكي، با استفاده از روش‌هاي كلاسيك (مانسون- كافين- باسكوئين) و دامنه كرنش، مدل‌سازي شده است. جهت تعيين نقش هندسه و شرايط مرزي بارگذاري دمايي، مدل ساده‌شده پره توربين با مدل آزمايش مورد مقايسه قرارگرفته و تأثير آن بر دماي سطح و نهايتاً عمر ترمومكانيكي به‌دست‌آمده است. نقش هر يك از ويژگي¬هاي لايه بالايي سراميكي پوشش ازجمله ضخامت و ضريب هدايت گرمايي بر عمر ترمومكانيكي بررسي‌شده است. تأثيرات دو نوع روش پوشش دهي APS و EB-PVD بر عمر ترمومكانيكي مدل پره توربين با توجه به تغييرات به وجود آمده در اعمال پوشش‌ها بررسي‌شده است. اثر پديده¬ي تفجوشي كه موجب تغييرات در خواص لايه سراميكي پوشش مي¬شود بر عمر ترمومكانيكي پره در صد ساعت اول كه به مقدار اشباع خود مي¬رسد و در عمر نهايي بررسي و تأثيرات آن مورد تحليل قرارگرفته است. بررسي¬ها نشان مي¬دهد كه هر يك از ويژگي¬هاي ضخامت و ضريب هدايت گرمايي لايه¬ي بالايي پوشش حائل حرارتي، نقش بسزايي در عمر ترمومكانيكي قطعه دارند كه در نظرگيري تغييرات آن‌ها براي نوع پوشش دهي و يا تأثيرات ناشي از تفجوشي براي عمر ترمومكانيكي ضروري است.

1399/10/27

Thermo-Mechanical Fatigue life prediction of components with Thermal barrier coating

11/17/2020 12:00:00 AM

Many engineering components fail in their working conditions under high temperatures and fluctuating loads and life prediction of these components is very important. Failure in these parts is due to the interaction of processes such as fatigue, creep, oxidation. The oxidation process is considered as a function of strain amplitude, strain rate, strain-temperature phase, and oxidation kinetics. It is important to estimate the life of the substrate having a thermal barrier coating and also to improve the effective coating parameters that affect the life of the part in different environmental conditions and loading. In this study the effects of each failure mechanism in thermo - mechanical fatigue and their behavior with regard to the environment and loading conditions have been discussed. Abaqus finite element analysis software has been used to model the part and the thermal barrier coating on the part under thermomechanical loading, and the UVARM subroutine code has been written to evaluate and estimate the thermo-mechanical life. Sehitoglu damage model, which is based on microstructural observations of damage in the thermal barrier coating, which includes mechanical fatigue damage, oxidation and creep, has been used. Mechanical fatigue damage has been modeled using classical methods (Manson-Coffin-Basquin) and strain amplitude. To determine the importance of geometry and boundary conditions of temperature loading, the simplified model of the turbine blade has been compared with the experimental model and its effect on surface temperature and finally thermo_mechanical life has been obtained. The effect of ceramic top layer properties such as thickness and thermal conductivity on thermo-mechanical life has been investigated. The effects of two types of coating methods such as APS and EB-PVD on the thermos-mechanical life of the turbine blade model have been investigated due to the changes in the application of coatings. The effect of sintering which causes changes in the properties of the ceramic layer has been investigated on the thermo mechanical life of the blade in the first 100 hours. The results show that each of the characteristics of the thickness and thermal conductivity of the upper layer of thermal barrier coating have a significant role in the thermo mechanical life of the component whichis necessary for thermos-mechanical processing.

خستگي ترمومكانيكي , پوشش حائل حرارتي , اكسيداسيون , اسپري هوا- پلاسما , رسوب فيزيكي پرتو الكتروني , تفجوشي

Termo-mechanical Fatigue , Thermal Barrier coating , Oxidation , APS , EB-PVD , Sintering