تخلخل‌ها چه تاثیری بر روی عمر پوشش‌های محافظ حرارتی در توربین‌ها ایفا می‌کنند؟

امیرحسین فرتاش در گفت‌وگو با ایسنا، اظهار کرد: پوشش‌های سد حرارتی (Thermal Barrier Coatings) پوشش‌هایی از جنس سرامیک پایدار شده هستند که به منظور محافظت از قطعات صنعتی حساسی همچون پره توربین گاز و موتور جت که در معرض بارهای حرارتی شدید و ناگهانی قراردارند، مورد استفاده قرار می‌گیرند. لذا، بررسی دقیق نحوه توزیع میدان‌های دما و متعاقب آن، تنش‌های حرارتی به وجود آمده ناشی از بارهای حرارتی در این پوشش‌ها و بستر محافظت شونده‌شان بسیار ضروری به نظر می‌رسد.

وی افزود: این پوشش‌ها معمولاً از چند لایه شامل پوشش محافظ سرامیکی، لایه رابط و بستر فلزی تشکیل شده‌اند. با این حال، تفاوت خواص حرارتی و مکانیکی لایه‌ها و نحوه قرار گرفتن آن‌ها در معرض شوک‌های حرارتی ناگهانی می‌تواند موجب ایجاد گرادیان دما، افزایش تنش‌های حرارتی، تشکیل و رشد ترک و در نهایت جدایش لایه‌ها و کاهش عمر پوشش شود.

همچنین تخلخل و وجود ریزترک‌های اولیه در ساختار سرامیکی، پیش‌بینی رفتار این سامانه‌ها را پیچیده‌تر می‌کند. این پژوهشگر با اشاره به رویکرد مورد استفاده در این مطالعه، گفت: یکی از چالش‌های تحلیل بارگذاری‌های سریع حرارتی، محدودیت قانون کلاسیک رسانش حرارت فوریه در توصیف انتشار حرارت با سرعت محدود است.

به همین دلیل، در این پژوهش از مدل رسانش حرارت غیرفوریه‌ای با تأخیر دوفازی استفاده شد تا پاسخ گذرای سامانه پوشش سد حرارتی در برابر شوک‌های حرارتی ناگهانی با دقت بیشتری بررسی شود. فرتاش ادامه داد: هدف اصلی این پژوهش، بررسی پاسخ گذرای حرارتی و مکانیکی سامانه پوشش سد حرارتی در شرایط مختلف بارگذاری ترمومکانیکی و در نهایت تعیین عمر خزشی آن بود.

در این مسیر، تأثیر شوک‌های حرارتی موضعی و گسترده و همچنین بارهای مکانیکی ناگهانی در حالت‌های موضعی و گسترده بر روی پاسخ سیستم بررسی شدند. شدت و گستره شوک‌های حرارتی و ضخامت لایه‌های پوشش نیز از جمله پارامترهای مورد مطالعه بودند.

وی یکی از جنبه‌های نوآورانه این تحقیق را توسعه یک رویکرد تحلیلی دقیق برای بررسی بارگذاری‌های ناگهانی و هم‌زمان حرارتی و مکانیکی دانست و اظهار کرد: این رویکرد، امکان بررسی شرایط پیچیده‌تری را نسبت به حالت‌های ساده بارگذاری فراهم می‌کند و می‌تواند برای تحلیل دقیق‌تر رفتار پوشش در شرایط کاری پیچیده مورد استفاده قرار گیرد. وی در ادامه با اشاره به بخش عددی پژوهش، بیان کرد: در این مطالعه، علاوه بر مدل‌سازی تحلیلی، ریزساختار واقعی پوشش نیز مورد توجه قرار گرفت.

برای این منظور، تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) از سطح مقطع یک نمونه آزمایشگاهی پوشش‌داده‌شده بررسی شد و هندسه واقعی پوشش با استفاده از فرآیند پردازش تصویر به مدل المان محدود تبدیل شد. این پژوهشگر افزود: با استفاده از این روش، تأثیر تخلخل با شکل واقعی آن، شکل واقعی فصل مشترک لایه‌ها و اتصال غیرایده‌آل آن‌ها بر انتقال حرارت، توزیع تنش، جدایش فصل مشترک و رفتار خزشی بررسی شد.

همچنین برای مدل‌سازی جدایش میان لایه‌ها از روش ناحیه چسبنده (CZM) استفاده شد و به‌منظور اطمینان از دقت نتایج تحلیل عددی، استقلال مدل المان محدود از اندازه مش نیز مورد بررسی قرار گرفت. فرتاش درباره روش تحقیق، توضیح داد: در بخش تحلیلی، ابتدا معادله رسانش حرارت با تأخیر دوفازی برای تعیین میدان دمای گذرا حل شد و سپس با استفاده از نظریه ترموالاستیسیته، میدان‌های جابه‌جایی و تنش ناشی از بارگذاری‌های حرارتی ناگهانی به دست آمدند.

در ادامه، برای بررسی رفتار خزشی، رشد آسیب و پیش‌بینی عمر پوشش، از دو مدل کاچانوف ـ رابوتنوف و مدل خزشی هایپربولیک استفاده و نتایج آن‌ها با یکدیگر مقایسه شد. وی با تشریح نتایج تحلیل حرارتی، گفت: نتایج نشان داد پوشش محافظ سرامیکی نقش بسزایی در کاهش شدت بار حرارتی منتقل‌شده به بستر فلزی دارد و می‌تواند دامنه نوسانات حرارتی شدید در لایه رابط و بستر را به طور قابل توجهی کاهش دهد.

همچنین افزایش ضخامت پوشش سرامیکی، زمان پاسخ بستر را افزایش می‌دهد و از اثر شوک حرارتی بر آن می‌کاهد. به گفته فرتاش، نسبت زمان‌های تأخیر فازی در مدل رسانش حرارت با تأخیر دوفازی نیز بر سرعت انتشار حرارت در داخل سامانه تأثیر چشمگیری دارد.

وی افزود: در تحلیل ترمومکانیکی، افزایش شدت شوک حرارتی با افزایش تنش‌های حرارتی و پارامترهای مرتبط با شدت تنش همراه است. همچنین چارچوب ارائه‌ شده قابلیت بررسی هم‌زمان اثر بارهای حرارتی و مکانیکی ناگهانی را فراهم آورده و تصویری جامع‌تر از پاسخ سامانه در شرایط بارگذاری پیچیده و واقعی ارائه می‌دهد.

این پژوهشگر با اشاره به نتایج مربوط به رفتار خزشی و آسیب پوشش‌ها، اظهار کرد: در این بخش، رفتار ویسکوالاستیک لایه‌ها با استفاده از مدل‌های کاچانوف ـ رابوتنوف و هایپربولیک بررسی شد. همچنین درصد تخلخل اولیه موجود در پوشش محافظ، با تحلیل تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی، به‌عنوان پارامتر آسیب اولیه در مدل در نظر گرفته شد.

وی ادامه داد: بر اساس تحلیل‌های انجام‌شده، نمودارهای تنش بر حسب پارامتر لارسن ـ میلر و کرنش بر حسب زمان به دست آمدند و عمر خزشی نهایی سامانه مورد ارزیابی قرار گرفت. مقایسه نتایج دو مدل نشان داد که مدل خزشی هایپربولیک، در چارچوب این پژوهش، برای تعیین عمر سامانه کارآمدتر و دقیق‌تر از مدل کاچانوف ـ رابوتنوف عمل می‌کند.

فرتاش با اشاره به نتایج شبیه‌سازی المان محدود و بررسی جدایش فصل مشترک‌ها، گفت: نتایج عددی نشان داد تخلخل و شکل واقعی فصل مشترک لایه‌ها تأثیر قابل توجهی بر توزیع شار حرارتی و تنش حرارتی در سامانه ایفا می‌کنند. وجود تخلخل می‌تواند موجب ناهمگونی در انتشار حرارت و ایجاد نواحی تمرکز شار حرارتی و تنش در مجاورت ریزترک‌ها شود.

وی افزود: تمرکز تنش در اطراف تخلخل‌هایی که در فاصله بسیار کمی از فصل مشترک قرار دارند، افزایش می‌یابد. این نواحی، به‌ویژه در مجاورت گوشه‌های تیز تخلخل‌ها، مستعد جوانه‌زنی و رشد ترک هستند.

این پژوهشگر ادامه داد: شبیه‌سازی‌های المان محدود همچنین نشان داد رشد ترک در امتداد فصل مشترک پوشش ـ اکسید و اکسید ـ رابط، تحت تأثیر تخلخل‌های مجاور فصل مشترک قرار دارد؛ عاملی که می‌تواند در جدایش لایه‌ها و در نهایت واماندگی سامانه پوشش سد حرارتی نقش داشته باشد. وی در جمع‌بندی نتایج این پژوهش، اظهار کرد: یافته‌ها نشان می‌دهد شدت و گستره بارگذاری حرارتی، ضخامت پوشش، خواص ترمومکانیکی لایه‌ها، میزان تخلخل، احتساب ریزعیوب با شکل واقعیشان و همچنین، شکل واقعی فصل مشترک‌ها از عوامل مهم در تعیین پاسخ و عمر سامانه پوشش سد حرارتی هستند.

فرتاش افزود: در نظر گرفتن هم‌زمان رفتار گذرای حرارتی، پاسخ ترمومکانیکی، خزش، رشد آسیب و ریزساختار واقعی پوشش می‌تواند مبنای دقیق‌تری برای ارزیابی قابلیت اطمینان و پیش‌بینی عمر سرویس این پوشش‌ها در شرایط کاری واقعی فراهم کند. نتایج این پژوهش تاکنون در قالب ۶ مقاله علمی در نشریات معتبر بین‌المللی نمایه‌شده در پایگاه مؤسسه اطلاعات علمی (ISI)، از جمله نشریه Thin-Walled Structures، Theoretical and Applied Fracture Mechanics و Applied Thermal Engineering منتشر شده است.