[發明專利]一種熱障涂層厚度的優化方法

有效

• 申請號: 201310119966.2
• 申請日: 2013-04-08
• 公開（公告）號: CN103198221A
• 公開（公告）日: 2013-07-10
• 發明（設計）人: 劉徹;韓玉君;陸冠雄;葉福興
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00;G05D5/02
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 王秀奎

技術領域

本發明涉及熱障涂層領域，更加具體地說，特別涉及一種熱障涂層厚度的優化方法。

背景技術

在過去的50多年時間里，燃氣發動機零部件用材料和制備技術得到了很大的發展，從鍛造合金發展到常規鑄造合金，再從定向凝固合金發展到單晶材料，材料的使用溫度提高近300℃，接近金屬使用極限溫度。熱障涂層對進一步提高合金材料的使用溫度發揮著重要的作用，可以將使用溫度提高到1500-1600℃。

由于熱障涂層具有降低金屬基體的使用溫度、保護基體免受高溫氧化等許多優點，因此，隨著科學技術的發展，在航天、航空、燃氣發電、化工、冶金等眾多領域，熱障涂層得到了廣泛的研究與應用。熱障涂層一般由頂部陶瓷層和陶瓷層與基底之間的粘結層組成。整個基底-熱障涂層體系可以看成是一種廣義上的實際溶液。但是，在長期的高溫條件下，基底-熱障涂層體系中的金屬元素會擴散并與氧結合，從而被高溫氧化在粘結層和頂部陶瓷層之間、基底和粘結層之間形成熱生長氧化物。大量研究表明，這些熱生長氧化物的形成與長大是熱障涂層失效的根本原因。

發明內容

本發明的目的在于克服現有及技術的不足，采用實際溶液物理模型中的亞正規溶液模型和Miedema混合焓模型，通過計算不同涂層厚度的熱障涂層體系中金屬元素擴散系數來優化熱障涂層的厚度。亞正規溶液模型是實際溶液物理模型中的一種，可以比較好的反映溶液內粒子的相互作用。Miedema混合焓模型是一種經典的二元合金液或者固相混合焓的計算模型，并且與實驗值吻合度較高。

本發明技術目的通過下述技術方案予以實現：

本發明通過計算不同涂層厚度下基底-熱障涂層體系中金屬元素擴散系數，從而優化熱障涂層厚度。詳見下文描述：

(1)由能斯特-愛因斯坦公式：

Di=Di*(1+∂1nγi∂1nCi)]]>

其中，D_i是i原子在整個體系中的擴散系數；是i原子的自擴散系數，是一個常數；C_i是體系中i原子的原子濃度，只與涂層成分有關；γ_i是i原子的活度系數。

(2)由物理化學中化學位與活度系數的關系式：

μi=μi0(T,p)+RT1nγi+RT1nxi]]>

其中μ_i是體系中i原子的化學位；R為摩爾氣體常數；T為基底-熱障涂層體系服役的熱力學溫度；x_i為i原子的摩爾分數，且(3)x_i=Ci/C，C是涂層體系中所有原子濃度的總和，當涂層的種類和基底確定時，x_i只與涂層厚度h有關；是標準狀態下i原子的化學位，且與x_i無關。

(4)把(2)和(3)帶入(1)可得：