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发汗热障涂层界面约束效应及瞬态相降温演化规律研究

批准号:
52075508
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
田浩亮
学科分类:
摩擦学及机械表界面科学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
田浩亮

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
面向先进航空发动机对聚酰亚胺树脂基复材更高服役温度的需求,本项目拟设计一种集隔热、散热功能一体化的发汗热障复合涂层体系,然而涂层的高温服役可靠性与涂层/复材界面结合区域的湿铺展特性和层间协同稳定性密切相关,涂层/复材界面过渡区及层间匹配性调控困难,项目拟通过表界面分析技术与数值模拟相结合的方法研究复材/粘结层/涂层体系中异质界面过渡区域的形成特征及其结构、热量及力学状态的演变规律,明确多界面层间结合机制和关键性能的主要控制因素,探索热、力耦合作用下该体系的表界面行为,以及在高温服役环境过程中瞬态烧蚀相的动态演化规律,阐明发汗热障涂层中陶瓷相的抗烧蚀隔热性能、烧蚀相的放热降温机制。本项目的实施将为复合材料耐高温防护涂层体系的发展提供新的理论和新的有效技术途径。
英文摘要
With the development of advanced aero-engines, it is required that the polyimide resin matrix composites have higher service performance in high temperature. This project is proposed to design a perspiration thermal barrier composite coating system with the function of heat insulation and heat dissipation, however, the high temperature service reliability of the coating is closely related to the wet spreading characteristics of the coating/composite interface zone and the interlayer coordination stability. At the same time, it is difficulty to control the matching of the interlayer and transition zone between coating/composite interface. This project is proposed to investigate the formation process of the bond interface and the evolution law of their structure, energy and mechanical state by combining surface analysis technology and numerical simulation method, explore their surface/interface behavior and reveal the main factors determining their failure mechanism and key property. It will focus on exploring the behavior of the surface/interface behavior while coupling effect of heat and force, analyzing the dynamic evolution process of transient ablative phase servicing at the high temperature environment and clarifying the mechanism of heat-insulating property of ceramic phase and heat release property of ablation phase. The results will provide new theory and new effective technical approach for the development of the thermal protective coating for resin based composites.
本项目针对航空发动机复合材料外涵机匣高结合强度、抗烧蚀性能优异涂层防护需求,重点完成了涂层材料的选择、成分优化及制备工艺研究;复合涂层温度场、应力场模拟计算层间厚度与应力匹配研究;复材基体的表面粗糙化及预热处理工艺研究;“发汗热障”陶瓷复合涂层的制备工艺及性能研究;突破了复材表面“发汗热障”陶瓷抗烧蚀梯度涂层设计与制备技术、复材表面“发汗热障”陶瓷抗烧蚀涂层梯度结合强度控制技术等关键技术;制备了聚酰亚胺树脂基复合材料表面“发汗热障”陶瓷抗烧蚀涂层。取得了复合涂层层间应力协同匹配的效果,达到了复合材料表面热喷涂制备高结合强度抗高温烧蚀涂层的技术水平。研究结果表明:.1.基体材料为碳纤维增强的聚酰亚胺树脂基复合材料,经研究,Al粉颗粒物相分析为单质相,纯度较高,形貌呈球形或者椭圆形结构结构,颗粒分散性良好;中间层起调整底层和面层热匹配性能,NiCoCrAl是YSZ涂层常用的粘结层体系,分析表明粉末粒度均匀,球形度好,成分杂质含量少;选用不同配比的YSZ复合粉末用作面层制备,粉末材料颗粒球形度致密光滑,粒度分布较窄,热稳定良好,满足喷涂要求。.2.根据温度场模拟分析,可知0.5mm厚的YSZ涂层是满足实际工况要求的,在结合涂层应力分布匹配的基础上很有必要降低涂层总厚度。根据应力场模拟分析,可知各层内部应力分布均匀,变化趋势平缓,但在层间应力会发生突然上升的跃迁,在结合涂层制备工艺的基础上尽量减小YSZ面层厚度。.3.采用喷砂处理可实现实现提升涂层结合强度的目标,以(60目,0.1MPa)工艺最优;激光烧蚀织构表面预处理(点阵、方格、菱形)后获得涂层结合强度都>10MPa,其中激光点阵处理后结合强度最高(约16.6MPa);预热及冷却方式对涂层结合强度影响规律是,喷涂前先对基体表面采用不送粉,喷枪预热方式对基体表面预热,在喷Al底层时每喷涂一遍后喷枪空喷预热一遍,喷涂NiCoCrAl中间层和YSZ(X)面层时表面缓冷至120℃,每遍喷涂间隔时间30s,背面大气环境缓冷。制备涂层结合强度较高(约14.14MPa)。.4.采用爆炸喷涂工艺,在聚酰亚胺基复合材料上沉积了由不同厚度金属底层(Zn、Al、Cu)+NiCoCrAl中间层和YSZ(X)面层涂层组成的热障抗烧蚀复合涂层。得出主要结论如下:① Al-0.1mm+NiCoCrAl-0.1mm+YSZ-0.3mm涂层是最优的涂层
石墨烯/Nd3+/Eu3+共掺杂温敏热障涂层的制备及光响应温度行为研究
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