一种多层复合结构热障涂层厚度预测计算方法技术

本发明专利技术是一种预测和计算多层复合结构热障涂层厚度的方法，属于金属基材工件表面热障涂层厚度计算预测技术领域。金属基材工件上涂覆热障陶瓷涂层是提高工件热服役性能的重要手段，可减缓工件的表面温度快速上升并延长工件的服役寿命。本涂层厚度预测计算方法，能够优化工件基材表面涂层制备工艺参数，进而提高涂层的均匀性和抗热冲击性能。本发明专利技术针对金属基材表面多陶瓷层复合结构热障涂层的材料属性、结构类型和服役特点，基于量子力学和等效热阻理论提出一种多层结构热障涂层厚度预测计算方法，该方法适合对弹性模量和热导率不同的多种陶瓷材料构成的金属基体表面多层级复合结构热障陶瓷涂层厚度计算与预测。合结构热障陶瓷涂层厚度计算与预测。合结构热障陶瓷涂层厚度计算与预测。

【技术实现步骤摘要】
一种多层复合结构热障涂层厚度预测计算方法


[0001]本专利技术是一种预测和计算多层复合结构热障涂层厚度的方法，属于金属基材工件表面热障涂层厚度计算预测


技术介绍

[0002]金属基材工件上涂覆热障陶瓷涂层是提高工件热服役性能的重要手段之一。利用热障涂层延缓和阻隔燃气热流量向高温金属材料传导，对基材工件进行隔热保护，可减缓基材工件的表面温度快速上升，保护基材表面免受热冲击损伤，能够在更高的使用环境温度下运行，并延长工件的服役寿命。
[0003]多层复合陶瓷结构的热障涂层的表层具有隔热、抗腐蚀、抗颗粒冲击等作用，而底层陶瓷一般用来缓解表面陶瓷层、粘结层、金属基体之间因热膨胀系数差异而产生的热应力，以提高涂层的整体韧性，这样既能发挥底层涂层热膨胀系数大、断裂韧性高等优点。而准确的涂层厚度预测计算方法能够对涂层厚度进行可靠的预测，优化工件基材表面热障涂层制备工艺参数，进而提高涂层的均匀性和抗热冲击的性能。
[0004]本专利技术针对金属基材表面多陶瓷层复合结构热障涂层的材料属性、结构类型和服役特点，基于量子力学和等效热阻理论提出一种多层结构热障涂层厚度预测计算方法，该方法适合对弹性模量和热导率不同的多种陶瓷材料构成的金属基体表面多层级复合结构热障陶瓷涂层厚度计算与预测。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的在于针对多层复合结构热障陶瓷涂层技术特点，提出一种快速、简便的多层复合结构热障涂层厚度预测方法。此方法基于量子力学和等效热阻理论，利用热障涂层材料的微观、宏观力学特性与热障涂层热导率的关系，对多层复合结构的热障涂层厚度进行计算预测。本专利技术适用的对象包括但不限于电子束物理气相沉积、等离子喷涂法以及激光熔覆法等工艺制造的多层复合结构热障涂层。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术提供了一种多层复合结构热障涂层厚度预测计算方法，包括以下步骤：
[0007]S1：根据复合结构热障涂层各层级材料的基本属性，计算对应的材料单位原子的平均质量计算公式如下：
[0008][0009]式中，为涂层各层级材料单位原子的平均质量，M为摩尔质量，m为分子式中原子的个数，N
A
为阿伏伽德罗常数，i为多层级热障陶瓷涂层的层级数量，通常情况下i取值范围为2～4；
[0010]S2：热障涂层的弹性模量E
i
的大小，受到涂层制备时基材表面距离喷头或靶材的距离D影响，涂层弹性模量E
i
求解需要实验得到的数据进行参数拟合：
[0011]E
i
＝aD2+bD+c
[0012]式中，E
i
为第i层涂层加工制备后的弹性模量，D为基材表面距离喷头或靶材的距离，a、b、c为弹性模量二次多项式拟合系数；
[0013]S3：在第i层热障涂层加工制备时，基材表面距离喷头或靶材的距离D会影响涂层的实际密度ρ
i
，根据二者关系求解涂层的实际密度ρ
i
如下：
[0014][0015]式中，e、f为涂层密度线性拟合系数，ρ
0i
为各级涂层的理论密度；
[0016]S4：将涂层各层级材料的单位原子的平均质量弹性模量E
i
，及密度ρ
i
代入，求解涂层各层级的热导率λ
i
，其计算公式如下：
[0017][0018]式中，k
B
为玻尔兹曼常数；
[0019]S5：将各层级的热导率λ
i
代入，计算各层级的厚度并累加，涂层总的厚度δ计算公式如下：
[0020][0021]式中，δ为各层级热障陶瓷涂层总的厚度，δ
i
为热障涂层各层级的厚度，U
i
为热障涂层各层级的单位热阻，能够一定程度上反映涂层的隔热性能，其值越大对应的热阻性能也越好，一般根据涂层工件的实际使用需求确定；
[0022]将参数带入后可求出热障涂层各层级的厚度，并求和得出多层级热障涂层总厚度。
附图说明
[0023]此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本专利技术的一部分，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0024]在附图中，图1为采用多层复合结构热障涂层的断面形貌示意图。1
‑
1、1
‑
2、1
‑
3为多层复合结构热障涂层的各个层级，是本专利技术预测计算涂层厚度的对象。1
‑
4为粘结层，1
‑
5为基材，其中粘结层和基材不计入多层复合结构热障涂层厚度的计算。
具体实施方式
[0025]为能进一步了解本专利技术的
技术实现思路
、特点及功效，举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
[0026]本专利技术的实施例中，多层级复合结构热障涂层的各个通常采用不同的材料或制造工艺其单位热阻值也不尽相同。其中，i取值为3与图1中的1
‑
1、1
‑
2、1
‑
3共计3个层级相对应，粘结层1
‑
4，基材1
‑
5不计入涂层厚度计算。1～3层级所采用的材料分别为8YSZ(ZrO2‑
8wt.％Y2O3)、Al2O3、LZO(La2Zr2O7)，采用等离子喷涂
‑
物理气相沉积工艺制备。等离子喷涂
‑
物理气相沉积工艺结合了大气等离子喷涂技术，制造得到的具有涂层孔隙率高、热导率低与物理气相沉积工艺制造得涂层抗热震性能、结合性能强的特点。在图1中，8YSZ、Al2O3以及LZO三个层级均等离子喷涂
‑
物理气相沉积工艺制备技术制造。
[0027]在下述计算中，玻尔兹曼常数k
B
取值为1.380649
×
10
‑
23
J/K，阿伏伽德罗常数取值为6.0221367
×
10
23
。
[0028]S1：8YSZ的摩尔质量为123.22g/mol，分子式中原子的个数为3，带入代入公式单位原子的平均质量为为68.20
×
10
‑
24
g；Al2O3的摩尔质量为101.96g/mol，分子式中原子的个数为5，带入代入公式求得其单位原子的平均质量为33.86
×
10
‑
24
g；LZO的摩尔质量为572.25g/mol，分子式中原子的个数为11，带入代入公式求得其单位原子的平均质量为86.38
×
10
‑
24
g。
[0029]S2：8YSZ的弹性模量与大气等离子喷涂的距离有如下关系：E1＝
‑
0.02D2+5.516D
‑
283.2，当D＝100mm时，其弹性模量E1＝68.4GPa。Al2O3的弹性模量与大气等本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.本发明提供了一种多层复合结构热障涂层厚度预测计算方法，包括以下步骤：S1：根据复合结构热障涂层各层级材料的基本属性，计算对应的材料单位原子的平均质量计算公式如下：式中，为涂层各层级材料单位原子的平均质量，M为摩尔质量，m为分子式中原子的个数，N
A
为阿伏伽德罗常数，i为多层级热障陶瓷涂层的层级数量，通常情况下i取值范围为2～4；S2：热障涂层的弹性模量E
i
的大小，受到涂层制备时基材表面距离喷头或靶材的距离D影响，涂层弹性模量E
i
求解需要实验得到的数据进行参数拟合如下：E
i
＝aD2+bD+c式中，E
i
为第i层涂层加工制备后的弹性模量，D为基材表面距离喷头或靶材的距离，a、b、c为弹性模量二次多项式拟合系数；S3：在第i层热障涂层加工制备时，基材表面距离喷头或靶材的距离D会影响涂层的实际密度ρ
i
，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李雅峰，高洪飞，王磊，纪铮钊，鹿峰源，邹子春，伊鹏，崔悦，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：