Les revêtements de barrière thermique (TBC) sont largement utilisés dans les moteurs à turbine à gaz pour obtenir des températures de fonctionnement élevées et améliorer l’efficacité du moteur. La transition de phase de la couche céramique s’accompagne d’une grande différence de volume, provoquant une concentration de contraintes thermiques, conduisant finalement à la chute et à la défaillance des TBC. Par conséquent, il est nécessaire d’évaluer quantitativement l’ampleur et la répartition des contraintes thermiques induites par la transition de phase dans la couche céramique.
Une équipe de scientifiques des matériaux dirigée par le professeur Xiaoyu Chong de l’Université des sciences et technologies de Kunming, en Chine, a récemment établi une méthode d’évaluation multi-échelle à haut débit pour la contrainte thermique dans les TBC qui prend en compte la transition de phase des matériaux céramiques supérieurs en couplant d’abord- principes de calcul avec simulations par éléments finis.
La méthode évalue quantitativement et visualise la contrainte thermique de la structure réelle des TBC sous cycle thermique par couplage multichamp, ce qui peut fournir une base théorique importante et des conseils pour la prévision de la durée de vie et la conception inversée des matériaux de revêtement.
L’équipe a publié leur travail dans Journal des céramiques avancées.
« Dans ce rapport, nous développons une méthode d’évaluation multi-échelle à haut débit pour les contraintes thermiques dans les systèmes multicouches, qui prend en compte la transition de phase des matériaux céramiques supérieurs en couplant les calculs de principes premiers avec des simulations par éléments finis. Cette approche peut évaluer quantitativement et visualiser les contrainte thermique dans les TBC sur la base de structures réelles, compte tenu de l’environnement de service réel soumis au cycle thermique », a déclaré Chong, professeur à la Faculté de science et d’ingénierie des matériaux de l’Université des sciences et technologies de Kunming (Chine), dont les intérêts de recherche se concentrent sur la domaine du calcul multi-échelle à haut débit et de l’apprentissage automatique.
« Les propriétés thermophysiques entrées dans les simulations par éléments finis sont calculées par des calculs de principes premiers, dans lesquels la méthode multi-échelle peut prendre en compte l’influence de la transition de phase et de la température et réduire simultanément le coût et le temps d’obtention des propriétés thermophysiques par des expériences », a-t-il poursuivi.
Il est difficile d’observer directement le processus de transformation de phase du revêtement céramique. En tant qu’une des principales raisons de défaillance du revêtement, la contrainte thermique est soumise à un manque de méthodes de test et de caractérisation quantitatives, et l’environnement de service à haute température augmente également la difficulté des tests de contrainte thermique par transformation de phase.
« Les simulations par éléments finis couplées à plusieurs champs physiques peuvent visualiser et évaluer quantitativement la contrainte thermique des TBC. Cependant, les propriétés thermophysiques requises pour les simulations par éléments finis sont dérivées de mesures expérimentales, qui ignorent les effets de transition de phase et de température », a déclaré Mengdi Gan. , premier auteur de l’article et titulaire d’un doctorat. étudiant supervisé par le professeur Chong.
Dans cette étude, les chercheurs développent une méthode d’évaluation multi-échelle à haut débit pour les contraintes thermiques dans les systèmes multicouches, qui prend en compte la transition de phase des matériaux céramiques supérieurs en couplant les calculs de principes premiers avec des simulations par éléments finis.
Cette approche permet d’évaluer quantitativement et de visualiser la contrainte thermique dans les TBC sur la base de structures réelles, en tenant compte de l’environnement de service réel soumis au cycle thermique. Les propriétés thermophysiques entrées dans les simulations par éléments finis sont calculées par des calculs de principes premiers, dans lesquels la méthode multi-échelle peut prendre en compte l’influence de la transition de phase et de la température et réduire simultanément le coût et le temps d’obtention des propriétés thermophysiques par des expériences.
Dans ce travail, les tantalites de terres rares (RETaO4) sont introduites sous forme de couches céramiques, et les résultats démontrent que la contrainte thermique subit une escalade rapide proche de la température de transition de phase, en particulier dans le système TBCs_GdTaO4. Cette discontinuité dans la contrainte thermique peut provenir des modifications importantes du module d’Young et de la conductivité thermique à proximité de la température de transition de phase.
Les systèmes TBCs_NdTaO4 et TBCs_SmTaO4 présentent des gradients de chute de température remarquables et des fluctuations de contrainte thermique minimes, qui sont bénéfiques pour prolonger la durée de vie des TBC. Cette approche facilite la prédiction des mécanismes de défaillance et fournit des conseils théoriques pour la conception inverse des matériaux TBC afin d’obtenir des systèmes à faible contrainte thermique.
Parmi les autres contributeurs figurent Mengdi Gan, Tianlong Lu, Wei Yu et Jing Feng de la Faculté des sciences et de l’ingénierie des matériaux de l’Université des sciences et technologies de Kunming, en Chine.
Plus d’information:
Mengdi Gan et al, Capturer et visualiser la contrainte thermique médiée par la transition de phase des matériaux de revêtement à barrière thermique via une approche informatique intégrée à plusieurs échelles, Journal des céramiques avancées (2024). DOI : 10.26599/JAC.2024.9220864
Fourni par Tsinghua University Press