17359

17359

شبيه سازي انتقال حرارت و توزيع تنش در پوشش سد حرارتي درجه بندي شده YSZ/ NiCrAlY

دكتري

شناسايي و انتخاب مواد فلزي

بهمن 1395

دكتر سيد حسين سيدين - دكتر محمدرضا ابوطالبي

دكتر حسين سرپولكي - دكتر سيد محمد مهدي هادوي

مواد و متالورژي

چكيده در اين پژوهش يك روش عددي مبتني بر المان محدود به منظور شبيه سازي انتقال حرارت و توزيع تنش در توسعه يافت. باتوجه به مشخصات Hastelloy-x پوشش سد حرارتي معمولي و درجه بندي شده اعمالي روي زيرلايه هندسي سيستم، معادلات انرژي و تنش- جابجايي در فضاي دوبعدي به طور همزمان و تحت شرايط مختلف با استفاده حل شد. خواص فيزيكي، حرارتي و مكانيكي ماده در مدل، وابسته به دما تعريف شد و (ABAQUS) از نرم افزار آباكوس براي محاسبه خواص مورد نياز لايههاي كامپوزيتي استفاده شد. در مدل مكانيكي (Vegard) از قانون اختلاط ويگارد كوپل شده با مدل حرارتي قانون هوك براي تبيين رفتار الاستيك و تغييرشكل پلاستيك وابسته به دما و خزش براي تشريح رفتار دما بالاي اجزاء استفاده شده است. به منظور ارزيابي مدل حرارتي و مكانيكي، نتايج حاصل از شبيه سازي تنش با مقادير تجربي گزارش شده در منابع و نيز نتايج اندازهگيري تنش به روش نانو فرورونده مقايسه و تطابق مناسبي مشاهده گرديد. در ادامه براساس مدل ترمومكانيكي اعتبارسنجي شده يك الگوي منطق فازي كه يك روش مبتني بر محاسبات هوش مصنوعي است طراحي گرديد كه براي مطالعات پارامتري و بررسي عوامل موثر بر توزيع تنش استفاده شد. در اين پژوهش براي نخستين بار از روش المان محدود مبتني بر ريزساختار (مدل سازي ميكرومكانيك) براي شبيهسازي توزيع دما و تنش در پوششهاي سد حرارتي بهره گرفته شده است. در اين روش، بعنوان حوزه محاسباتي وارد حلگر المان محدود شدند و تحليل تنش روي همان حوزه انجام SEM تصاوير ريزساختاري شد كه در نهايت توزيع تنش در ريزساختار پوشش و فصل مشترك پس ازاعمال شوك حرارتي بدست آمد. در بخش مطالعات تجربي، روي دو گروه نمونه پوشش سد حرارتي معمولي و درجهبندي شده به روش پاشش پلاسمائي اعمال گرديد و مشخصهيابي پوششها با استفاده از مطالعات متالوگرافي توسط ميكروسكوپ نوري و الكتروني روبشي و تشخيص فازهاي تشكيل شده در سطح به وسيله آناليز تفرق اشعه ايكس انجام شد. رفتار نمونهها در برابر شوك حرارتي در مقياس ماكرو و ميكرو بررسي و مقايسه شد و از نتايج حاصل براي طراحي و اعتبار سنجي مدل ميكرومكانيك استفاده شد. نتايج حاصل از شبيه سازي توزيع دما نشان داد كه در پوشش سد حرارتي دو لايه معمولي در امتداد ضخامت لايه روئي كاهش دماي 102 درجه سانتيگرادي نسبت به دماي سطحي لايه روئي تامين شده است. درجهبندي نمودن سيستم پوشش سد حرارتي با لايههاي كامپوزيتي از لايه روئي و لايه واسط موجب شده است تا ميزان عايق سازي حرارتي سيستم تا حدود 30 درصد تخريب گردد. نتايج حاصل از شبيهسازي توزيع تنش حاكي از آن بود كه در نمونه- هاي شوكديده تحت سيكل حرارتي فاقد زمان توقف در دماي تشكيل لايه اكسيد رشد يافته حرارتي مقدار متوسط تنش ماكزيمم از 29 مگاپاسكال در سيستم دو لايه معمولي ،(Thermally Grown Oxide-TGO) 15 مگاپاسكال در سيستم درجهبندي شده سه لايه (فصل مشترك لايه / (فصل مشترك لايه روئي / لايه واسط) به 3 8 مگاپاسكال در سيستم درجهبندي شده پنج لايه (فصل مشترك / و 1 (YSZ / 50% NiCrAlY- 50% YSZ كامپوزيتي كاهش يافته و توزيع تنش در فصل مشتركها يكنواخت شده است (YSZ / 25% NiCrAlY- 75% YSZ لايه كامپوزيتي كه اين امر به افزايش عمر سيستم سد حرارتي كمك ميكند؛ علت اين پديده را ميتوان در نزديكتر شدن اختلاف بين ضرايب انبساط حرارتي در لايههاي كامپوزيتي درجهبندي شده با لايههاي مجاور بيان نمود. با استفاده از نتايج مطالعات پارامتريك، مدل فازي هوشمند منطق فازي براي پيشبيني رابطه بين تنش و مشخصات ساختاري بر اساس تعاريف سيستم تداخل فازي طراحي شد. اين مدل حين محاسبه تنش در پوششهاي كامپوزيتي مختلف نتايج قابل قبولي را ارائه داد. نتايج حاصل از مدل ميكرومكانيكي حاكي از توانمندي مدل در پيشبيني مكانيزم گسترش ترك و تخريب پوشش است. بعلاوه، مشخص شد كه ترك افقي و عمودي در ناهمواريهاي فصل مشترك كه در نتيجه وجود تنش كششي جوانهزني ميكنند را ميتوان براي دو حالت پوششهاي سد حرارتي داراي لايه اكسيد رشد يافته حرارتي پيشبيني نمود و نتايج حاصل از مدل تطابق مناسبي با نتايج تجربي داشت. TGO و فاقد TGO واژه هاي كليدي: پوشش سد حرارتي درجهبندي شده، المان محدود، منطق فازي، ميكرومكانيك، فصل مشترك.

1396/03/09

1/1/1900 12:00:00 AM

Abstract: In this study, a finite element-based numerical method was developed to simulate heat transfer and stress distribution in conventional and functionally graded thermal barrier coatings applied on the Hastelloy-x. Considering the geometry of the system, wodimensional energy and stress-displacement equations was solved under different conditions using ABAQUS commercial finite element package software. All physical, thermal and mechanical properties needed for simulation were considered to be temperature dependent and Vegard mixture model was used to determine the properties of composite coating. The mechanical model coupled with thermal model used to eva​luate the behavior of elastic and plastic deformation. Comparisons of computed results with experiments reported in the literature and results obtained by nano-indentation stress measurement method showed good agreement. A combination of fuzzy linguistic based model and finite element method (FEM) has therefore been developed in the terminology of a combined or “hybrid model” in this study. The hybrid model was applied to predict residual stress during thermo mechanical process in functionally graded thermal barrier coating (FG-TBC). Additionally in this research, a micromechanical FE approach based on the real microstructure was utilized to simulate residual stress distribution and fracture mode in thermal barrier coating. In this method, actual microstructures of the TBC taken by a scanning electron microscope (SEM) were utilized as the representative volume elements (RVEs) in the computational model. In the present study, three different TBC systems including one duplex coating and two FGTBCs, having three and five layers, were prepared by atmospheric plasma spray (APS) process. The coatings were characterized using optical microscope, Scanning Electron Microscope (SEM) equipped with Energy Dispersive x-ray Spectrometry (EDS), and X-Ray Diffraction (XRD) analysis system. Moreover, thermal shock resistance of the coatings was determined. The result of the simulation showed that temperature gradient along the duplex thermal barrier coating was 102 °c. The thermal insulation was found to be diminished up to 30% in functionally graded YSZ/NiCrAlY coatings. The results of simulation showed that in the samples without TGO after thermal shock the average value of the maximum stress is 29 MPa in duplex TBC ( at top coat /bond-coat interface), 15.3 MPa in three-layer FG-YBC system (at the interface of 50% NiCrAlY - 50% YSZ / YSZ) and 8.1 MPa in five-layer FGYBC system (at the interface of 25% NiCrAlY- 75% YSZ / YSZ). It is noted that the stress distribution is more uniform in five-layer FG-TBC system that helps to increase the TBC performance and to extend the life time of thermal barrier system. The reason for this phenomenon is that the coefficient of thermal expansion changed gradually through the fivelayer functionally graded coating. Using the results of parametric studies, intelligent fuzzy logic model was designed to predict the relationship between stress and structural properties of fuzzy interference system. This model showed an excellent potential of such finite element-artificial intelligence hybrid approach for analysis of high temperature imposing of these protective coatings. The achievements of this research also highlight that the implemented micromechanical model is able to simulate fracture mechanism and crack propagation of the high temperature TBC systems in a much realistic manner. Furthermore, it was found out that vertical and horizontal cracks nucleating at interface because of tensile stresses can be predicted for the two considered TBCs with and without TGO, which is in conformity with the experimental results. Keywords: Functionally Graded Thermal barrier coating, Finite element method, Fuzzy logic, Micromechanics, Interface