20426

۲۰۴۲۶

بررسي عددي و تجربي پوشش هاي سد حرارتي درجه بندي شده مورد استفاده در محفظه داغ توربين

كارشناسي ارشد

انتخاب و شناسايي و انتخاب مواد فلزي

۹۴-۹۵

۱۳۹۷/۸/۱۵

دكتر سيدين - دكتر ابوطالبي

دكتر نسيم نايب پاشايي

مواد و متالورژي

پوشش¬هاي سد حرارتي (Thermal Barrier Coating) به منظور عايق سازي اجزاي موجود در بخشهاي داغ توربين¬هاي گازي مورد استفاده قرار مي¬گيرند. استفاده از پوشش‌هاي سد حرارتي باعث افزايش شيب حرارتي، كاهش دماي زيرلايه و افزايش بازده كاري توربين‌ها مي‌شود. يكي از عوامل اصلي ايجاد تنش در پوشش‌هاي سد حرارتي عدم تطابق ضريب انبساط حرارتي لايه‌هاي مختلف پوشش سد حرارتي مي‌باشد. به منظور كاهش اين عامل و بهبود طول عمر پوشش‌هاي سد حرارتي، استفاده از پوشش‌هاي سدحرارتي درجه بندي شده (FG-TBC) با تغيير تدريجي تركيب شيميايي مورد توجه قرار گرفته است. در اين پژوهش با استفاده از نرم افزار المان محدود (ABAQUS) توزيع دما و تنش¬هاي پسماند در پوشش سد حرارتي معمولي و پوشش سد حرارتي درجه‌بندي‌شده از طريق پاشش پلاسمايي بر روي سوپرآلياژ Hastelloy-X تحت يك چرخه حرارتي شبيه‌سازي و مورد مطالعه قرار گرفت. براي اين منظور خواص حرارتي و مكانيكي لايه‌هاي مختلف پوشش سد حرارتي وابسته به دما تعريف شد و خواص لايه‌هاي كامپوزيتي با استفاده از قانون اختلاط ويگارد (Vegard) محاسبه شد سپس شرايط مرزي حرارتي و مكانيكي مناسب اعمال شد و با استفاده از يك مدل مكانيكي كوپل شده با مدل حرارتي كانتور‌هاي توزيع تنش و دما براي پوشش سدحرارتي دولايه به دست آمد. براي اعتبارسنجي مدل ارائه شده از آزمون‌ تجربي استفاده شد. براي اين منظور با استفاده از روش نانوفرورونده ميزان تنش باقيمانده در پوشش به دست آمد و سپس با مقايسه آن با مقدار تنش به دست آمده از طريق مدل، اعتبار شبيه سازي مورد تاييد قرار گرفت. با مقايسه توزيع تنش و توزيع دما براي پوشش سدحرارتي معمولي و پوشش سدحرارتي درجه‌بندي‌شده مشخص شد كه ميزان تنش پسماند در پوشش سدحرارتي درجه‌بندي‌شده سه‌لايه كمتر از پوشش سدحرارتي معمولي مي‌باشد. دليل اين امر كاهش عدم تطابق ضرايب انبساط حرارتي لايه‌هاي مختلف در پوشش سد حرارتي درجه‌بندي‌شده نسبت به پوشش معمولي مي‌باشد. علاوه بر اين، تاثير پارامترهاي مختلف شامل ضريب انبساط حرارتي، هدايت حرارتي و مدول الاستيك لايه رويي، طول موج و دامنه فصل مشترك لايه‌هاي مختلف پوشش بر توزيع تنش و توزيع دما مورد بررسي قرار گرفت.

1398/01/16

Numerical and Experimental Analysis of Functionally Graded Thermal Barrier Coatings used in Hot Chamber of Turbines

4/5/2019 12:00:00 AM

Thermal barrier coatings are used to isolate the exsisting parts in hot chambers of gas turbines. Using thermal barrier coatings increases heat gradient, reduces the substrate’s temperature and increases the turbine’s efficiency. One of the main reasons of creation stress in thermal barrier coatings is not having correspondency in thermal expantion coefficient of different layers of thermal barrier coating. In order to reduce this factor and increase the life time of thermal barrier coatings, using functionally graded thermal barrier coatings with gradual change in chemical component has been studied. In this study, by using ABAQUS software, temperature and residual stress distribution in thermal barrier coating with two layer and functionally graded thermal barrier coating by plasma sputtering on Hastelloy-X superalloy under a heat treatment cycle has been simulated. To persue this, thermal and mechanical properties of different layers of thermal barrier coating related to temperature were defined and properties of composite layers were calculated by Vegard mixing rule. Then suitable termal and mechanical boundry conditions were applied and with a mechanical model coupled with a thermal model the stress and temperature distribution for thermal barrier coating with tow layer were obtained. To authenticate the presented model experimental test was done. For this with nanoindentation technique, the amount of residual stress in the coating was measured and with comparing that with achived stress by this model, the simulation was authenticated. Comparing the stress and temperature distribution for thermal barrier coating with two layer and functionally graded thermal barrier coating showed residual stress in functionally graded thermal barrier coating with three layer is less than thermal barrier coating with two layer. The reason is increase of correspondency in thermal expantion coefficients of different layers in functionally thermal barrier coating rather than thermal barrier coating with two layer. Furthermore, the effect of diffirent parameters including thermal expantion coefficient, thermal conductivity and elastic module of the top coat, wavelength and of interface of different layers of the coating on stress and temperature distribution were studied.