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

دكتري

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.

189741

دانشگاه علم و صنعت ايران

دكتر حسين سرپولكي - دكتر سيد محمد مهدي هادوي

شناسايي و انتخاب مواد فلزي

دكتر سيد حسين سيدين - دكتر محمدرضا ابوطالبي