20701

۲۰۷۰۱

مدلسازي مكانيكي و تخمين عمر پوشش‌هاي حفاظت حرارتي پره‌هاي توربين گاز

كارشناسي ارشد

مهندسي هوافضا - سازه هاي هوايي

۱۳۹۸

۱۳۹۸/۱/۲۸

دكتر بيژن محمدي سنگجويي

مكانيك

به دنبال گسترش استفاده از پوشش‌هاي حفاظتي در توربين‌هاي گاز، ارائه‌ي يك روند سيستماتيك براي ارزيابي عمر اين پوشش‌ها امري ضروري به نظر مي‌رسد. هدف اين پروژه، در وهله‌ي اول مدلسازي و ارزيابي عمر فرسايش قطعات و به طور خاص قطعات داراي پوشش‌هاي حفاظتي، و در ادامه ارائه‌ي يك برنامه‌ي جامع ارزيابي عمر فرسايش براي آن‌ها مبتني بر تلاش‌هاي بين‌المللي پيشين مي‌باشد. به منظور كاهش هزينه و زمان محاسبات، يك مدل المان محدود سه‌بعدي براي شبيه‌سازي برخورد ذرات جامد به هدفي از جنس آلياژ Ti-6Al-4V با استفاده از تكنيك المان حجم نمونه (RVE) ارائه مي‌گردد. پس از اعتبارسنجي و تأييد صحت مدل المان محدود، بهترين چيدمان پوشش‌هاي تيتانيوم‌نيتريدپايه (TiN-based) بر روي بستر آلياژ Ti-6Al-4V به صورت عددي تعيين مي‌گردد. بدين منظور، در ابتدا مشخصات بهترين پوشش تك‌لايه‌ي TiN تعيين مي‌شود تا به عنوان مرجعي براي پيكربندي پوشش‌هاي چندلايه مورد استفاده قرار گيرد. سپس اثر ضخامت، مدول يانگ، لايه‌هاي پوشش تيتانيوم‌آلومينيوم‌نيتريد (TiAlN) و لايه‌هاي نرم تيتانيومي (Ti) بر مقاومت فرسايشي پوشش‌ها مورد بررسي قرار مي‌گيرد تا چيدمان پوشش بهينه‌ي چندلايه تعيين گردد. در نهايت، پوشش بهينه‌شده بر روي آلياژ Ti-6Al-4V از طريق فرآيند رسوب‌دهي فيزيكي بخار (PVD) بارگذاري شده و عمر فرسايشي آلياژ پوشش‌دار و بدون‌پوشش به صورت تجربي مورد مطالعه قرار مي‌گيرد. نتايج مدلسازي نشان مي‌دهد كه يك پوشش چندلايه با چيدمان TiN/Ti/TiAlN بهترين مقاومت در مقابل فرسايش را در مقايسه با ساير چيدمان‌هاي مورد بررسي در اين پژوهش خواهد داشت. اين پوشش از يك لايه‌ي زيرين TiAlN به ضخامت 9 ميكرون و مدول يانگ 526 گيگاپاسكال، يك لايه‌ي مياني نرم Ti به ضخامت 8/0 ميكرون و يك لايه‌ي رويين TiN به ضخامت 1 ميكرون و مدول يانگ 300 گيگاپاسكال تشكيل شده است. نتايج تجربي نشان مي‌دهد كه حداكثر نرخ فرسايش براي آلياژ بدون پوشش در زاويه‌ي 45 درجه و براي آلياژ پوشش‌دار در زاويه‌ي 90 درجه اتفاق افتاده است. هم‌چنين به طور ميانگين ارتقاي 7/2 مرتبه‌اي عمر فرسايش براي نمونه‌هاي پوشش‌دار در مقايسه با نمونه‌هاي بدون پوشش ثبت گرديده است.

1398/04/03

Mechanical modeling and life prediction of thermal protective coatings of gas turbine blades

6/24/2019 12:00:00 AM

Seeking to take advantage of protective coatings in gas turbine components, a systematic approach is necessary to assess the life of these coatings. The aim of this paper is firstly to investigate of erosion life of coated and uncoated components, and then, to present a comprehensive application for assessment of the erosion life of the components based on previous international efforts. In order to reduce the computational costs and time, this study presents a three-dimensional finite element model using representative volume element (RVE) technique for simulation of multiple solid particles impact on a Ti-6Al-4V alloy. After verification of the present FE model, based on this model, the best architecture of Titanium-Nitride (TiN) based coatings deposited on Ti-6Al-4V alloy is numerically determined. At first, characteristics of the best monolayer TiN coating are obtained to use as a reference for multilayer configurations. Then, effects of thickness, Young’s modulus, TiAlN layers and Ti soft layer on erosion resistance of the coatings are studied to optimize architecture of multilayer coatings. Finally, the optimized coating is deposited on Ti-6Al-4V alloy by physical vapor deposition (PVD) process and erosion behavior of the coated and uncoated alloy is experimentally studied. Numerical results show that TiN/Ti/TiAlN coating is the best erosion-resistant coating compared to the other configurations of this study. It is made of a TiAlN bottom layer with thickness of 9 microns and Young’s modulus of 526 GPa, a Ti soft interlayer with a thickness of 0.8 microns and a TiN top layer with thickness of 1 micron and Young’s modulus of 300 GPa. Experimental results show that maximum erosion rate was occurred at impact angle of 45 degrees for the uncoated alloy and at angle of 90 degrees for the coated alloy. Also, an average 2.7 times improvement is experimentally obtained in relative erosion resistance for the coated alloy compared to the uncoated one.