超音速飞行陶瓷熔滴撞击基板过程的多物理场与片层微观结构形成的耦合机理研究

The proposed project aims to study the effect of multiphysical phenomena on the formation of lamellar microstructure of thermal barrier coatings (TBCs) during impingement of supersonic ceramic molten droplets on a substrate. The thrust for this work is derived from the urgent demand by the development of next-generation of aircraft engines and heavy-duty gas turbines for high performance (eg. long life, high reliability) TBCs. The research team has developed a supersonic plasma spraying technology, the first of its kind in China, and with the technology, successfully manufactured high-quality TBCs composed of thin splat with fine and dense columnar microstructures, thereby laying down a solid foundation for this proposed study. A comprehensive fully 3D mathematical model will be developed by integrating nonlinear mechanics with phase field theory. The model will be capable of describing coupled multiphysical phenomena of fluid flow, heat transfer, free surface deformation and solidification microstructure formation and is intended to faithfully represent the dynamic events during impacting and spreading of supersonic molten ceramic droplets on a flat substrate. Data obtained from model simulation and from the measurements taken by high speed photography and collecting in-flight ceramic droplets through a shield with V-shaped slot will be analyzed to elucidate the fundamental mechanism governing the effect of evolving multiphysical fields on the solidification microstructure formation, multiple-particle stacking, and inter-particle structure of TBCs. Quantitative description will also be developed of the final lamellar microstructure of TBCs as a function of the initial state of molten ceramic droplets. The mathematical model, the experimental setup and the obtained results will be of critical value in providing guidelines for designing high-quality TBCs and for optimizing supersonic plasma spray technology.

针对新一代航空发动机和重型燃汽轮机对长寿命、高可靠性热障涂层的迫切需求，本项目在课题组前期采用国内外独创的高效能超音速等离子喷涂系统，成功开发出"薄片细密柱晶"结构热障涂层的实验研究基础上，面向高性能热障涂层的结构控制与设计，展开对超音速飞行陶瓷熔滴撞击平板基体时多物理场及其对所形成的片层微观结构影响的研究。基于非线性力学和相场理论，建立一个涵盖流体、传热、移动界面及结晶微观组织形成的耦合多物理场模型，从而再现超音速飞行陶瓷熔滴撞击平板基体后扁平化行为以及伴随的凝固结晶的动态过程。采用高分辨超高速摄影及狭缝收集飞行粒子等实验方法结合多场数值模拟，研究陶瓷熔滴扁平化过程中多场动态演变对扁平粒子堆垛、摊片内部晶粒组织及片层间结构的影响规律，确定熔滴初始状态与最终形成的片层结构的量效关系，为超音速等离子喷涂制备高性能热障涂层结构的精确设计和优化提供理论支撑。

高性能热防护涂层是保护航空航天等领域关键热端部件的重要方法之一。本项目针对新一代航空发动机涡轮叶片对长寿命、高可靠性热障涂层的迫切需求，在项目组采用国内外独创的高效能超音速等离子喷涂“薄片细密柱晶”结构热障涂层实验研究基础上，解决高性能热障涂层的结构控制与设计难题。首先从流体力学出发，基于非线性力学和相场理论，建立了一个涵盖流体、传热、移动界面及结晶微观组织形成的耦合多物理场模型，从而再现超音速飞行陶瓷熔滴撞击平板基体后扁平化行为以及伴随的凝固结晶的动态过程，为超音速等离子喷涂制备高性能热障涂层结构的精确设计和优化提供了理论支撑。其次，利用有限差分法对模型进行离散差分，使用Fortran语言对离散结果进行编译，利用传热学基本方程与Ginzburg-Landau的自由能公式建立了凝固结晶模型，揭示了过冷度等因素对凝固组织的影响规律；再次，耦合铺展流动与凝固结晶模型，明确了氧化钇部分稳定的二氧化锆（YSZ）飞行熔滴撞击基板后的流动过程与凝固结晶行为，利用相场模型分析多个熔滴连续撞击、堆垛在已凝固摊片后的铺展飞溅、凝固结晶过程，以及凝固后与原有摊片的结合；最后，实时监测熔滴飞行速度及温度并结合熔滴的收集，利用HRTEM观察超音速等离子喷涂涂层微观结构，综合数值模拟和实验观察，研究熔滴飞行参数对最终涂层结构的影响规律，验证耦合多物理场模型正确性，形成闭环。本项目为超音速等离子喷涂高性能热障涂层的精确设计、组织优化和稳定性生产提供了重要的理论基础。目前已发表SCI论文10篇，其中影响因子大于3.0的论文5篇，授权发明4项，培养研究生6名。此外，在以上工作基础上，项目组将利用Fortran语言进一步独立开发程序软件，与超音速等离子喷涂系统集成后，可实现喷涂工艺过程的实时在线控制，精确控制涂层结构，在航空航天高端装备热防护上具有广阔应用前景。

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