本發(fā)明屬于表面涂層防護技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種渦輪葉片熱障涂層厚度優(yōu)化設計方法。

背景技術(shù)：

熱障涂層(TBCs)是一種先進的陶瓷金屬多層材料系統(tǒng)，在現(xiàn)代渦輪發(fā)動機中應用十分廣泛。通過在發(fā)動機燃燒室、渦輪葉片等高溫熱端部件表面涂覆具有低熱導率的TBCs，一方面可降低金屬部件表面溫度或進一步提高發(fā)動機渦輪葉片燃氣入口溫度，另一方面可使金屬部件免受高溫燃氣的腐蝕和氧化，從而實現(xiàn)延長熱端部件服役壽命和提高發(fā)動機效率的目的。以燃氣輪機渦輪葉片為例，TBCs和葉片內(nèi)部冷卻的聯(lián)合作用可有效降低高溫合金表面溫度100～300℃，使得合金基底能夠在高于其熔點溫度的環(huán)境下長期穩(wěn)定服役。

TBCs主要由陶瓷層、金屬粘接層、高溫合金基底、以及在陶瓷層/粘接層界面形成的熱生長氧化層構(gòu)成。TBCs各層材料間存在較大的性能差異，使得制備或高溫服役過程中在涂層內(nèi)部產(chǎn)生顯著的熱失配應力。較高的熱失配應力可能誘發(fā)涂層內(nèi)部裂紋的萌生和擴展，進而導致涂層的剝離失效。因此，應力水平是影響涂層服役壽命的重要因素。TBCs的隔熱作用主要依靠表面陶瓷層實現(xiàn)，在給定熱流密度的情況下，陶瓷層的熱導率和厚度是TBCs隔熱性能的兩個決定性因素。在選定陶瓷層材料后，TBCs的隔熱性能隨著陶瓷層厚度的增加而提高，然而涂層內(nèi)部的應力水平也可能不斷升高。對陶瓷層厚度進行設計時，在滿足涂層隔熱性能的情況下需控制其內(nèi)部的應力水平，并有必要考慮涂層的制備成本。因此，TBCs結(jié)構(gòu)設計是一個在滿足涂層高隔熱性能、低應力水平和低制備成本等約束條件下的多目標優(yōu)化問題。

對渦輪葉片表面涂覆的TBCs進行厚度優(yōu)化設計，有助于保證涂層服役安全，并提高其性能及使用效率。然而，當前的現(xiàn)有技術(shù)只能定性給出渦輪葉片TBCs厚度的大致分布，無法實現(xiàn)準確的厚度分布優(yōu)化設計，缺少針對TBCs厚度設計優(yōu)劣的評價。因此，隨著表面涂層技術(shù)的不斷快速發(fā)展，在工程應用中迫切需要發(fā)展渦輪葉片TBCs的厚度優(yōu)化設計方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種渦輪葉片熱障涂層厚度優(yōu)化設計方法，該方法能夠簡單高效的進行優(yōu)劣的定量評價，有助于保證涂層服役安全和提高涂層使用效率。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種渦輪葉片熱障涂層厚度優(yōu)化設計方法，包括以下步驟：

步驟1：確定TBCs各層厚度；

TBCs包含陶瓷層、粘結(jié)層及熱生長氧化層，為陶瓷層、粘結(jié)層及熱生長氧化層賦予厚度值；

陶瓷層厚度為k×100μm，k為分析次數(shù)的編號，即步驟1至步驟6的重復次數(shù)，k＝1,2,…,10；(為了分析不同陶瓷層厚度的結(jié)果，步驟1-6需要重復10次，而每次厚度的確定是通過k*100得到的，k就是重復次數(shù))粘接層厚度為100μm～250μm；熱生長氧化層厚度為1μm～10μm；

步驟2：建立含TBCs渦輪葉片的三維有限元模型；

三維有限元模型由葉片合金基底和均勻厚度的TBCs構(gòu)成，TBCs涂覆于渦輪葉片的葉身外表面和葉根平臺的上表面；所述均勻厚度TBCs是指涂層覆蓋區(qū)域內(nèi)的陶瓷層厚度均相同，TBCs各層厚度由步驟1給定；

步驟3：對三維有限元模型進行網(wǎng)格劃分；

步驟4：對劃分網(wǎng)格后的三維模型進行熱-力耦合分析，獲得含TBCs渦輪葉片的整體溫度場和應力場分布；

步驟5：選取葉片涂層區(qū)域內(nèi)的代表節(jié)點；

代表節(jié)點是指能夠反映各局部區(qū)域的溫度和應力狀態(tài)特征的代表性節(jié)點，代表節(jié)點位置在不同分析對應的三維有限元模型中一致；

步驟6：提取并記錄所有代表節(jié)點所在位置的厚度方向，陶瓷層的最大應力值和溫度差；

步驟7：判斷均勻厚度TBCs模型是否分析完成；

判斷k≤10是否成立，若成立則重復步驟1至步驟6；否則，按照步驟8進行；

步驟8：對步驟5中選定的任意代表節(jié)點i，i＝1,2,…,110，根據(jù)公式(1)分別計算第k次分析對應的有限元模型中該代表節(jié)點位置的目標函數(shù)值：

公式(1)中，是第k次分析中代表節(jié)點i位置處的目標函數(shù)，是第k次分析中代表節(jié)點i位置處陶瓷層內(nèi)最大應力，是第k次分析中代表節(jié)點i位置處陶瓷層內(nèi)的溫度差，是第k次分析中代表節(jié)點i位置處陶瓷層的厚度，w_β是性能權(quán)重系數(shù)，取w_β＝0.6；w_h是厚度權(quán)重系數(shù)，取w_h＝0.4；

步驟9：獲得葉片陶瓷層厚度的理想分布，對于任意代表節(jié)點，求得使其目標函數(shù)值最小時的最佳陶瓷層厚度；

步驟10：根據(jù)步驟9中獲得的葉片陶瓷層厚度理想分布，劃分TBCs厚度分布子區(qū)域，子區(qū)域的陶瓷層厚度與其包含的代表節(jié)點中最佳陶瓷層厚度的最大值相同；

步驟11：計算葉片TBCs厚度分布的總目標函數(shù)；根據(jù)步驟10中給出的子區(qū)域陶瓷層厚度分布，并結(jié)合公式(1)計算得到的目標函數(shù)值，按照公式(2)計算葉片TBCs厚度分布的總目標函數(shù)值：

公式(2)中，G_obj是當前TBCs厚度分布的總目標函數(shù)值，g_i是代表節(jié)點i位置處的目標函數(shù)；

步驟12：確定TBCs厚度分布方案；

重復步驟10和步驟11，不斷調(diào)整子區(qū)域大小，直至公式(2)計算獲得的G_obj最小，獲得渦輪葉片TBCs厚度分布的優(yōu)化設計方案。

步驟4中，所述熱-力耦合分析是通過有限元軟件ABAQUS完成，該過程包括以下步驟：

a.對所述三維有限元模型中的合金基底和TBCs分別賦予材料屬性；

b.對所述三維有限元模型中的TBCs外表面施加高溫邊界條件，對葉片冷卻通道表面施加冷卻溫度邊界條件；

c.利用ABAQUS提供的熱-力耦合分析模塊，對有限元模型進行分析計算；

d.計算完成后，在ABAQUS后處理模塊輸出計算結(jié)果，獲得含TBCs渦輪葉片的整體溫度場和應力場分布。

步驟5中，代表節(jié)點針對所述三維有限元模型，在ABAQUS后處理模塊中，從葉身吸面選取均勻分布的50個代表節(jié)點，從葉身壓面選取均勻分布的50個代表節(jié)點，從葉根平臺選取均勻分布的10個代表節(jié)點。

步驟6所述厚度方向指葉片表面的法線方向；所述溫度差是指陶瓷層外表面與陶瓷層/熱生長氧化層界面之間的溫度差值。

步驟9中，所述最佳陶瓷層厚度指在此代表節(jié)點區(qū)域涂覆該厚度的陶瓷層時，獲得隔熱性能、應力水平和制備成本之間的最佳協(xié)調(diào)；根據(jù)所有代表節(jié)點區(qū)域的最佳陶瓷層厚度結(jié)果，獲得葉片陶瓷層厚度的理想分布。

步驟10中，劃分TBCs厚度分布子區(qū)域，是將葉身壓面分為3個子區(qū)域，葉身吸面分為3個子區(qū)域，葉根平臺分為1個子區(qū)域；所述葉身壓面和吸面的子區(qū)域沿葉片高度方向劃分，每個子區(qū)域內(nèi)包含多個代表節(jié)點。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

本發(fā)明公開的渦輪葉片熱障涂層厚度優(yōu)化設計方法，通過在渦輪葉片上選取均勻分布的代表節(jié)點，以代表節(jié)點位置的溫度和應力結(jié)果來反映各局部區(qū)域的狀態(tài)，將復雜葉片的TBCs厚度分析等效為對有限數(shù)量的代表節(jié)點位置的厚度優(yōu)化設計，大大減少了分析計算量；將復雜的葉片TBCs厚度設計定義為明確的多目標優(yōu)化問題，建立數(shù)學公式來反映高隔熱性能、低應力水平和低制備成本的設計目標，通過引入多目標優(yōu)化算法計算得到每個代表節(jié)點位置的最佳陶瓷層厚度，將總目標函數(shù)值作為葉片TBCs厚度的優(yōu)化設計和評價參數(shù)，從而能夠定量評價TBCs厚度分布方案的優(yōu)劣，克服現(xiàn)有方法僅能定性評價的缺點。因此，本發(fā)明的渦輪葉片熱障涂層厚度優(yōu)化設計方法，可以簡單高效的進行TBCs厚度優(yōu)化設計，并能實現(xiàn)設計方案優(yōu)劣的定量評價，有助于保證涂層服役安全和提高涂層使用效率。

附圖說明

圖1是燃氣輪機渦輪葉片熱障涂層厚度優(yōu)化設計方法流程圖；

圖2是燃氣輪機渦輪葉片模型圖；

圖3是葉身壓面代表節(jié)點分布及厚度子區(qū)域劃分；

圖4是葉身吸面代表節(jié)點分布及厚度子區(qū)域劃分；

圖5是葉根平臺代表節(jié)點分布；

圖6是葉身陶瓷層厚度分布結(jié)果。

圖中，1-葉身壓面，2-葉身吸面，3-葉根平臺，4-陶瓷層，5-熱生長氧化層，6-金屬粘接層，7-高溫合金基底，8-代表節(jié)點，9-葉身壓面子區(qū)域1，10-葉身壓面子區(qū)域2，11-葉身壓面子區(qū)域3，12-葉身吸面子區(qū)域1，13-葉身吸面子區(qū)域2，14-葉身吸面子區(qū)域3，15-葉片冷卻通道。

具體實施方式

下面結(jié)合具體的實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明，所述是對本發(fā)明的解釋而不是限定。

本發(fā)明的優(yōu)化設計流程如圖1所示，為了更好的理解本發(fā)明的技術(shù)方案，將以上優(yōu)化設計方法應用于燃氣輪機渦輪葉片的TBCs厚度設計，渦輪葉片如圖2所示。

本實施例的具體過程包括以下步驟：

步驟1：確定TBCs各層厚度。

所述TBCs包含陶瓷層、粘接層和熱生長氧化層。選定陶瓷層厚度為k×100μm，其中k為分析次數(shù)的編號，即步驟1至步驟6的重復次數(shù)，k＝1,2,…,10。本實施例選定的粘接層厚度為150μm，選定熱生長氧化層厚度為5μm。

步驟2：建立含TBCs渦輪葉片的有限元模型。

采用有限元軟件ABAQUS建立含TBCs渦輪葉片的三維有限元模型。所述有限元模型由葉片合金基底和均勻厚度的TBCs構(gòu)成，TBCs涂覆于渦輪葉片的葉身外表面和葉根平臺的上表面；所述均勻厚度TBCs是指涂層覆蓋區(qū)域內(nèi)的陶瓷層厚度均相同，TBCs各層厚度由步驟1給定。

步驟3：對所述有限元模型劃分網(wǎng)格。

采用ABAQUS對有限元模型劃分網(wǎng)格。對于葉身和平臺的合金基底，劃分名義尺寸為1mm的六面體網(wǎng)格，單元類型為六面體單元C3D8R；合金基底的其余部分劃分名義尺寸為2mm的四面體網(wǎng)格，單元類型為四面體單元C3D4。葉片的陶瓷層在厚度方向劃分為5層六面體單元，熱生長氧化層在厚度方向劃分1層六面體單元，粘接層在厚度方向劃分2層六面體單元；所述厚度方向指葉片表面的法線方向。

步驟4：采用ABAQUS對所述有限元模型進行熱-力耦合分析，分析過程包括：

a.對所述有限元模型中的合金基底賦予材料屬性，本實施例中合金基底的彈性模量為220GPa，泊松比0.31，熱膨脹系數(shù)12.6×10^-6/℃^-1，熱導率11.5W/m℃；

b.對所述有限元模型中的陶瓷層賦予材料屬性，本實施例中陶瓷層的彈性模量為48GPa，泊松比0.1，熱膨脹系數(shù)9×10^-6/℃^-1，熱導率1.2W/m℃；

c.對所述有限元模型中的熱生長氧化層賦予材料屬性，本實施例中熱生長氧化層的彈性模量為400GPa，泊松比0.23，熱膨脹系數(shù)8×10^-6/℃^-1，熱導率10W/m℃；

d.對所述有限元模型中的粘接層賦予材料屬性，本實施例中粘接層的彈性模量為200GPa，泊松比0.3，熱膨脹系數(shù)13.6×10^-6/℃^-1，熱導率5.8W/m℃；

e.對所述有限元模型中的TBCs外表面施加1150℃的溫度邊界條件，對葉片冷卻通道表面施加700℃的溫度邊界條件；

f.對有限元模型進行熱-力耦合分析計算；

g.計算完成后，在ABAQUS后處理模塊輸出計算結(jié)果，獲得有限元模型的整體溫度場和應力場分布。

步驟5：選取葉片涂層區(qū)域內(nèi)的代表節(jié)點。

所述代表節(jié)點是指可反映局部區(qū)域的溫度和應力狀態(tài)特征的代表性節(jié)點。在ABAQUS后處理模塊中，從葉身壓面選取圖3所示的50個均勻分布代表節(jié)點，從葉身吸面選取圖4所示的50個均勻分布代表節(jié)點，從葉根平臺選取圖5所示的10個均勻分布代表節(jié)點。所述代表節(jié)點位置在不同分析對應的有限元模型中一致。

步驟6：提取并記錄所有代表節(jié)點所在位置處，陶瓷層在厚度方向的最大應力值和溫度差。

在ABAQUS后處理模塊中，提取并記錄所有代表節(jié)點所在位置處，陶瓷層在厚度方向的最大應力值和溫度差。所述厚度方向指葉片表面的法線方向。所述溫度差是指代表節(jié)點所在位置處，陶瓷層外表面與陶瓷層/熱生長氧化層界面之間的溫度差值。

步驟7：判斷k≤10是否成立，若成立則重復步驟1至步驟6，否則按照步驟8進行。本實施例共需分析10種不同均勻陶瓷層厚度的葉片模型，用k表示分析次數(shù)的編號，也即步驟1至步驟6的重復次數(shù)，其中k＝1,2,…,10。

步驟8：對步驟5中選定的任意代表節(jié)點i(i＝1,2,…,110)，根據(jù)公式(1)分別計算第k次分析對應的有限元模型中該代表節(jié)點位置的目標函數(shù)值：

公式(1)中，是第k次分析中代表節(jié)點i位置處的目標函數(shù)，是第k次分析中代表節(jié)點i位置處陶瓷層內(nèi)應力的最大，是第k次分析中代表節(jié)點i位置處陶瓷層的溫度差，是第k次分析中代表節(jié)點i位置處陶瓷層的厚度；w_β是性能權(quán)重系數(shù)，取w_β＝0.6；w_h是厚度權(quán)重系數(shù)，取w_h＝0.4。

步驟9：獲得葉片陶瓷層厚度的理想分布。

對于任意代表節(jié)點i，求得使其目標函數(shù)值達到最小時的陶瓷層厚度是代表節(jié)點i位置處的最佳陶瓷層厚度。所述最佳陶瓷層厚度指在此代表節(jié)點區(qū)域涂覆該厚度的陶瓷層時，可獲得隔熱性能、應力水平和制備成本之間的最佳協(xié)調(diào)。根據(jù)所有代表節(jié)點區(qū)域的最佳陶瓷層厚度結(jié)果，獲得葉片陶瓷層厚度的理想分布。

步驟10：劃分TBCs厚度分布子區(qū)域。

根據(jù)步驟9中獲得的葉片陶瓷層厚度理想分布，并結(jié)合制備工藝的可實現(xiàn)性，將葉身壓面分為3個子區(qū)域，葉身吸面分為3個子區(qū)域，葉根平臺分為1個子區(qū)域。所述葉身壓面和吸面的子區(qū)域沿葉片高度方向劃分，如圖3和圖4示意。所述子區(qū)域包含多個代表節(jié)點，這些代表節(jié)點的最佳陶瓷層厚度不盡相同；為此，對于任意給定的子區(qū)域，子區(qū)域內(nèi)具有相同的陶瓷層厚度，指定陶瓷層厚度與其包含的代表節(jié)點中最佳陶瓷層厚度的最大值相同。

步驟11：計算葉片TBCs厚度分布的總目標函數(shù)。

根據(jù)步驟10中給出的子區(qū)域陶瓷層厚度分布，并結(jié)合公式(1)計算得到的目標函數(shù)值，按照公式(2)計算葉片TBCs厚度分布的總目標函數(shù)值：

公式(2)中，G_obj是當前TBCs厚度分布的總目標函數(shù)值，g_i是代表節(jié)點i位置處的目標函數(shù)。

步驟12：確定TBCs厚度分布方案。

重復步驟10和步驟11，不斷調(diào)整子區(qū)域大小，直至公式(2)計算獲得的G_obj最小，以此獲得渦輪葉片TBCs厚度分布的優(yōu)化設計方案。

本實施例優(yōu)化設計得到的葉身陶瓷層厚度分布如圖6所示，根據(jù)該厚度方案計算得到總目標函數(shù)值G_obj＝54.91；而均勻厚度分布方案中，陶瓷層厚度為400μm時G_obj＝70.25，優(yōu)化設計方案的總目標函數(shù)值比均勻厚度方案降低了27.9％。由此可見，本發(fā)明的渦輪葉片熱障涂層厚度優(yōu)化設計方法能夠明顯提高涂層使用效率，并提高涂層服役性能且降低制備成本。