[发明专利]一种含微裂纹热障涂层微结构的数值重构与传热特性评估的方法

说明书

本发明公开了一种含微裂纹热障涂层微结构的数值重构与传热特性评估的方法，包括确定模拟区域和尺寸设置、生成不同形貌特征的随机微裂纹后将微裂纹置于模拟区域内判断微裂纹所占的空间是否达到预设微裂纹的孔隙率占比、基于四参数生长方法建立热障涂层一般孔隙模型、重构TBCs真实的介观形貌，判断是否达到预设的体积分数、基于热格子玻尔兹曼方法建立传热分析模型来计算温度分布、热导率等隔热性能参数。与现有技术相比，此模型能更真实有效地还原涂层的介观结构，从而降低大量扫描真实涂层样品带来的成本消耗，更加准确地预测TBCs的隔热效果。

技术领域

本发明涉及多孔介质技术领域，具体涉及一种含微裂纹热障涂层微结构的数值重构与传热特性评估的方法。

背景技术

为了满足涡轮叶片长寿命和高可靠性的需求，需要在高性能的航空发动机涡轮叶片表面涂覆热障涂层。热障涂层技术在航空航天、兵器、船舶等领域具有广泛的应用前景。由陶瓷材料制成的TBCs具有耐高温、耐腐蚀、高强度和低导热等特性，其带来的隔热效果直接影响着发动机的使用寿命和运行可靠性。TBCs系统一般包括陶瓷层、粘结层和高温合金基底三层结构。其中，粘结层主要采用MCrAlY合金(M指Fe、Ni、Co等)，因其在服役过程中长期受到热循环氧化作用，当Al含量消耗到无法满足Al2O3生长时，就会在陶瓷层与过渡层界面上形成热生长氧化物，从而成为微裂纹萌生的中心。微裂纹的萌生和进一步扩展会产生应力集中，极大地改变涂层的温度分布情况，影响了涂层的隔热性能、使用效率和耐用性。

由于TBCs中微裂纹不具备明显规律性，一些学者主要通过简化涂层微观组织，建立理想模型来分析微裂纹对热障涂层温度分布特性和隔热性能的影响。但研究针对的是预置的单一组成的微裂纹，将微裂纹直接简化为同一长度、同一方向或同一大小的球形、椭球形或片状。而真实情况下TBCs中所含的是不同尺寸、倾角、数量、位置及形态的随机分布的微裂纹。这种过于简化的假设模型与实际情况存在较大偏差，其计算结果不具有普遍性和适用性。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种含微裂纹热障涂层微结构的数值重构与传热特性评估的方法，以解决关于含微裂纹的热障涂层孔隙结构简化模型与真实涂层结构的较大偏差的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种含微裂纹热障涂层微结构的数值重构与传热特性评估的方法，其特征在于，所述方法包括：

S1确定模拟区域和尺寸设置，包括物理模型和模拟计算网格的设置；基于蒙特卡洛模拟方法和四参数生长方法，生成不同形貌特征的随机微裂纹；

S2通过坐标变换方法将不同微裂纹按一定统计规律改变其倾斜方向后置于模拟区域内，并判断微裂纹所占的空间是否达到预设微裂纹的孔隙率占比；

S3基于四参数生长方法建立热障涂层一般孔隙模型，以热障涂层中的固体骨架为生长相，孔隙为非生长相，孔隙率的设定控制涂层的孔隙体积分数，固态骨架形核中心生成概率设定来控制孔隙数量；对于初始随机分布的生长核节点进行遍历，将每个生长核节点向三维空间进行随机生长，通过三维坐标下26个方向的生长核生长概率控制不同结构热障涂层的生成，层状结构涂层水平方向生长核生长概率远大于竖直方向，柱状结构涂层相反；

S4将一般孔隙结构叠加到含微裂纹的模拟区域中生成耦合微裂纹缺陷的涂层孔隙模型，重构TBCs真实的介观形貌，判断是否达到预设的体积分数；

S5基于热格子玻尔兹曼方法建立传热分析模型来计算温度分布、热导率等隔热性能参数。

需要说明的是，所述步骤S1中利用蒙特卡洛算法生成一定统计分布规律下的微裂纹形貌：

S1.1生成[0,1]区间上的均匀分布的随机数：

随机数生成的线性同余法的迭代公式为：