Pesquisadores estabelecem um método de avaliação multiescala de alto rendimento para estresse térmico em revestimentos de barreira térmica
Um método de avaliação multiescala de alto rendimento para estresse térmico considerando a transição de fase de sistemas estruturados multicamadas. As propriedades termofísicas calculadas pelos cálculos de primeiros princípios são usadas como entrada de simulações de elementos finitos. Crédito:Journal of Advanced Ceramics, Tsinghua University Press Revestimentos de barreira térmica (TBCs) são amplamente utilizados em motores de turbina a gás para obter temperaturas de trabalho elevadas e melhorar a eficiência do motor. A transição de fase da camada cerâmica é acompanhada por uma grande diferença de volume, causando a concentração de estresse térmico, eventualmente levando os TBCs a cair e falhar. Portanto, é necessário avaliar quantitativamente a magnitude e distribuição do estresse térmico induzido pela transição de fase na camada cerâmica.
Uma equipe de cientistas de materiais liderada pelo Prof. Xiaoyu Chong da Universidade de Ciência e Tecnologia de Kunming em Kunming, China, estabeleceu recentemente um método de avaliação multiescala de alto rendimento para estresse térmico em TBCs que considera a transição de fase dos principais materiais cerâmicos acoplando primeiro- cálculos de princípios com simulações de elementos finitos.
O método avalia e visualiza quantitativamente o estresse térmico da estrutura real dos TBCs sob ciclagem térmica por acoplamento multicampo, o que pode fornecer uma importante base teórica e orientação para a previsão de vida e projeto reverso de materiais de revestimento.
A equipe publicou seu trabalho no Journal of Advanced Ceramics .
"Neste relatório, desenvolvemos um método de avaliação multiescala de alto rendimento para tensão térmica em sistemas multicamadas, que considera a transição de fase dos materiais cerâmicos de topo, acoplando cálculos de primeiros princípios com simulações de elementos finitos. Esta abordagem pode avaliar quantitativamente e visualizar o estresse térmico em TBCs baseados em estruturas reais, considerando o ambiente de serviço real submetido ao ciclo térmico", disse Chong, professor da Faculdade de Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade de Ciência e Tecnologia de Kunming (China), cujos interesses de pesquisa se concentram no campo de computação multiescala de alto rendimento e aprendizado de máquina.
“A entrada das propriedades termofísicas nas simulações de elementos finitos são calculadas por cálculos de primeiros princípios, nos quais o método multiescala pode considerar a influência da transição de fase e da temperatura e simultaneamente reduzir o custo e o tempo de obtenção de propriedades termofísicas por meio de experimentos”, continuou.
É um desafio observar diretamente o processo de transformação de fase do revestimento cerâmico. Como uma das principais razões para a falha do revestimento, o estresse térmico está sujeito à falta de testes quantitativos e métodos de caracterização, e o ambiente de serviço de alta temperatura também aumenta a dificuldade dos testes de estresse térmico por transformação de fase.
"As simulações de elementos finitos acopladas a múltiplos campos físicos podem visualizar e avaliar quantitativamente o estresse térmico dos TBCs. No entanto, as propriedades termofísicas necessárias para simulações de elementos finitos são derivadas de medições experimentais, que ignoram os efeitos da transição de fase e da temperatura, "disse Mengdi Gan , o primeiro autor do artigo e Ph.D. aluno supervisionado pelo Prof. Chong.
No estudo, os pesquisadores desenvolvem um método de avaliação multiescala de alto rendimento para tensão térmica em sistemas multicamadas, que considera a transição de fase dos materiais cerâmicos de topo, acoplando cálculos de primeiros princípios com simulações de elementos finitos.
Esta abordagem pode avaliar e visualizar quantitativamente o estresse térmico em TBCs com base em estruturas reais, considerando o ambiente de serviço real submetido à ciclagem térmica. As propriedades termofísicas inseridas em simulações de elementos finitos são calculadas por cálculos de primeiros princípios, nos quais o método multiescala pode considerar a influência da transição de fase e da temperatura e simultaneamente reduzir o custo e o tempo de obtenção de propriedades termofísicas por meio de experimentos.
Neste trabalho, tantalitas de terras raras (RETaO4 ) são introduzidos como camadas cerâmicas, e os resultados demonstram que o estresse térmico sofre uma rápida escalada perto da temperatura de transição de fase, particularmente nos TBCs_GdTaO4 sistema. Esta descontinuidade no estresse térmico pode ter origem nas grandes alterações no módulo de Young e na condutividade térmica próximo à temperatura de transição de fase.
Os TBCs_NdTaO4 e TBCs_SmTaO4 os sistemas exibem gradientes notáveis de queda de temperatura e flutuações mínimas de tensão térmica, o que é benéfico para estender a vida útil dos TBCs. Esta abordagem facilita a previsão de mecanismos de falha e fornece orientação teórica para o projeto reverso de materiais TBCs para obter sistemas de baixa tensão térmica.
Outros colaboradores incluem Mengdi Gan, Tianlong Lu, Wei Yu, Jing Feng da Faculdade de Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade de Ciência e Tecnologia de Kunming em Kunming, China.
