در حال بررسی...تنش تجمیعی در پوشش‌های توربین گاز
بر اساس مقاله‌ای که اخیرا در مجله Advanced Ceramics منتشر شده، گروهی از دانشمندان مواد از دانشگاه علم و فناوری کونمینگ چین، یک روش چندمقیاسی با کارایی بالا برای ارزیابی تنش حرارتی در سرامیک‌های ترموبرومیک که می‌تواند به‌عنوان یک پایه نظری و دستورالعمل ارزشمند برای پیش‌بینی عمر و طراحی معکوس مواد پوششی بکار گرفته شود، ایجاد کرده‌اند.
پوشش‌های سد حرارتی (TBC) معمولا در توربین‌های گاز برای افزایش دمای عملیاتی و افزایش بازدهی مورداستفاده قرار می‌گیرند. در طول عملیات، لایه سرامیکی در پوشش‌های سد حرارتی تحت یک انتقال فاز قرار می‌گیرد که شامل تغییر قابل‌توجهی در حجم است. این تغییر، تراکم تنش حرارتی را افزایش می‌دهد و در نهایت منجر به شکست پوشش سد حرارتی می‌شود. بنابراین، ارزیابی کمی سطح و توزیع تنش حرارتی ناشی از انتقال فاز در لایه سرامیکی بسیار مهم است.
اخیرا، تیمی از دانشمندان مواد، یک رویکرد ارزیابی چندمقیاسی با توان عملیاتی بالا برای تنش حرارتی در پوشش‌های سد حرارتی ایجاد کرده‌اند. این روش، محاسبات اصول اولیه را با شبیه‌سازی روش المان محدود ادغام می‌کند و انتقال فاز مواد سرامیکی بالا را محاسبه می‌کند. این روش، ارزیابی کمی و تصویر تنش حرارتی در ساختارهای پوشش‌های سد حرارتی واقعی در طول چرخه حرارتی و از طریق کوپلینگ چند میدانی را امکان‌پذیر می‌کند. علاوه بر آن، این دستاورد یک پایه نظری و دستورالعمل ضروری برای پیش‌بینی طول عمر و مهندسی معکوس مواد پوششی ارائه می‌دهد.
بخوانید: “پیشرفت در فناوری توربین گاز و هیدروژن هم‌راستا با یکدیگر“
در این گزارش، یک روش ارزیابی چندمقیاسی با توان عملیاتی بالا برای تنش حرارتی در سامانه‌های چند لایه‌ای توسعه داده می‌شود که انتقال فاز مواد سرامیکی بالا را با ترکیب محاسبات اصول اولیه با شبیه‌سازی روش المان محدود در نظر می‌گیرد. این رویکرد می‌تواند بطور کمی تنش حرارتی در پوشش‌های سد حرارتی را بر اساس ساختارهای واقعی، با در نظر گرفتن محیط عملیاتی واقعی در معرض چرخه حرارتی ارزیابی و تجسم کند. ورودی خواص ترموفیزیکی در شبیه‌سازی المان محدود توسط محاسبات بدست‌آمده از اصول اولیه محاسبه می‌شود که در آن روش چندمقیاسی می‌تواند تاثیر گذار فاز و دما را در نظر بگیرد و بطور همزمان هزینه و زمان بدست‌آوردن خواص ترموفیزیکی را از طریق آزمایش کاهش دهد.
مشاهده مستقیم فرآیند تبدیل فاز در پوشش‌های سرامیکی چالش‌برانگیز است. این فرآیند که در محیط عملیاتی با دمای بالا پوشش‌ها رخ می‌دهد، بطور قابل‌توجهی تست تنش حرارتی را پیچیده کرده و یکی از دلایل اصلی شکست پوشش است. علاوه بر این، فقدان روش‌های آزمایش و خصوصیات کمی برای ارزیابی کافی این تحولات وجود دارد.
شبیه‌سازی المان محدود همراه با میدان‌های فیزیکی متعدد می‌تواند تنش حرارتی پوشش‌های سرامیکی را تجسم و به‌طور کمی ارزیابی کند. با این حال، خواص ترموفیزیکی مورد نیاز برای شبیه‌سازی المان محدود از اندازه‌گیری‌های تجربی مشتق شده‌اند که اثرات انتقال فاز و دما را نادیده می‌گیرند.
ببینید: “بازار توربین گاز از سال ۲۰۲۲ تا ۲۰۲۷“
محققان یک روش نوآورانه ارزیابی چندمقیاسی با توان عملیاتی بالا ایجاد کرده‌اند که شبیه‌سازی المان محدود را با محاسبات اصول اولیه ترکیب می‌کند. این روش بطور خاص برای ارزیابی تنش حرارتی در سامانه‌های چند لایه‌ای طراحی شده که دینامیک انتقال فاز مواد سرامیکی بالا را در خود جای می‌دهد. با شبیه‌سازی شرایط عملیاتی واقعی، از جمله چرخه گرمایی، این رویکرد می‌تواند بطور کمی تنش حرارتی در پوشش‌های سرامیکی را بر اساس ساختار واقعی آن‌ها ارزیابی کرده و به صورت بصری نشان دهد.
محاسبات اصول اولیه، خواص ترموفیزیکی لازم را برای شبیه‌سازی روش المان محدود فراهم می‌کند. این روش چندمقیاسی نه تنها تغییرات دما و انتقال فاز را در نظر می‌گیرد، بلکه زمان و هزینه مرتبط با تعیین تجربی خواص ترموفیزیکی را نیز به طور قابل‌توجهی کاهش می‌دهد. این تحقیق تانتالیت‌های خاکی کمیاب (RETaO4) را به‌عنوان لایه‌های سرامیکی در پوشش‌های سد حرارتی معرفی می‌کند. یافته‌ها نشان می‌دهد که تنش حرارتی به سرعت در نزدیکی دمای انتقال فاز افزایش می‌یابد. تغییرات اساسی در مدول یانگ و هدایت حرارتی حول دمای انتقال فاز احتمالا عامل این افزایش شدید تنش حرارتی است.
شیب قابل‌توجه افت دما و نوسانات تنش حرارتی کم، از ویژگی‌های پوشش‌های سد حرارتی هستند که به افزایش عمر مفید این پوشش‌ها کمک می‌کنند. این روش پیش‌بینی مکانیزم‌های شکست را آسان‌تر می‌کند و راهکارهای نظری را برای طراحی معکوس مواد پوشش‌های سد حرارتی برای تولید سامانه‌هایی با تنش حرارتی کم ارائه می‌دهد.
منبع:
