شبیه‌سازی و تحلیل لایه‌نشانی و بارگذاری حرارتی پوشش‌های سدّ حرارتی

لزوم عملکرد توربین‌های گازی در دمای کاری بالا به منظور افزایش بهره‌وری، منجر به استفاده از پوشش‌هایی محافظتی به نام پوشش‌های سدّ حرارتی جهت محافظت از تجهیزات داخل توربین در برابر بارگذاری‌های حرارتی نسبتاً شدید شده است. اما خود این پوشش‌ها نیز تحت تاثیر این شرایط مخرب، پس از مدتی از بین می‌روند. در پژوهش حاضر بر اساس مشخصات ریزساختاری پوشش‌های سدّ حرارتی، مدل‌سازی فرآیند ساخت و ایجاد این پوشش‌ها به کمک روش اجزاء محدود انجام گرفت. در این مدل‌سازی ابتدا فرآیند ساخت و ایجاد این پوشش‌ها به منظور بررسی رفتار ترمومکانیکی این پوشش‌ها و به دست آوردن میدان دمایی و تنش پسماند موجود در آن‌ها در حین فرآیند ساخت و پس از پایان آن و خنک‌سازی تا دمای محیط، شبیه‌سازی شده است. سپس با اعمال بارگذاری حرارتی و شبیه‌سازی شرایط کاری واقعی توربین، رفتار حرارتی و مکانیکی این پوشش‌ها در شرایط کاری ارزیابی گردیده و توزیع میدان دما و تنشِ موجود در سیستم محاسبه شدند. برخلاف ساده‌سازی‌های انجام گرفته در کارهای پیشین و نادیده گرفتن فرآیند ایجاد پوشش‌ها، این پژوهش روشی برای مدل‌سازی فرآیند پاشش حرارتی و مطالعه‌ی رفتار ترمومکانیکی این پوشش‌ها از ابتدای فرآیند تولید تا پایان آن و سپس اعمال بارگذاری و شبیه‌سازی شرایط کاری توربین ارائه می‌کند. نتایج به دست آمده نشان میدهد که تنش پسماند بیشینه پس از خنک‌سازی، در سطح مشترک بین زیرلایه و پوشش‌ میانی قرار داشته و مقدار آن نیز در محدوده‌ی نتایج گزارش شده در کارهای تجربی است

Finite Element Simulation and Analysis of Deposition Process and Thermal Loading on Thermal Barrier Coatings

The need for a hightemperature operation to increase efficiency has led to the use of protective coatings called Thermal Barrier Coatings (TBCs) to protect turbine equipment against destructive conditions and relatively high thermal loads. However, the coatings themselves are also gradually affected by these destructive conditions. In the present study, based on the microstructural characteristics of thermal barrier coatings, first, the modeling of the deposition process and the fabrication of these coatings was done using the finite element method. In this modeling, the deposition process of TBCs for studying the thermal and mechanical behavior of these coatings simulated. Then the temperature field and the residual stresses obtained during and after the deposition process and cooling to ambient temperature has been studied. Subsequently, by applying thermal loading and simulating the actual working conditions of the turbine, the thermal and mechanical behavior of TBCs was evaluated in working conditions and the distribution of the temperature and stress field in the system was calculated. The results show that the maximum residual stress after cooling is at the interface between the substrate and the bond coat. The obtained results and the accuracy of the proposed model validated by experimental reports.