DOL:10.13374/.issn1001-053x.2012.05.012 第34卷第5期 北京科技大学学报 Vol.34 No.5 2012年5月 Journal of University of Science and Technology Beijing May 2012 热辐射对双陶瓷层热障涂层的隔热影响 周国栋陈树海 黄继华⑧ 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 ✉通信作者：E-mail:Jihuahuang47@sina.com 摘要基于热传导、热对流和热辐射理论建立了双陶瓷层热障涂层不透明和半透明物理模型，采用有限元ANSYS软件模拟 了稳态温度场.双陶瓷层在不透明时，项层厚度增加，顶层上表面温度线性增加，第二层和黏结层上表面温度线性降低.在半 透明性弱时，与不透明情况类似.在半透明性强时，顶层上表面温度略低于不透明时，第二层上表面温度高于不透明时，黏结 层上表面温度先快速后缓慢降低再保持不变，且远高于不透明时 关键词热障涂层：陶瓷：热辐射：隔热 分类号TG174 Effect of heat radiation on the thermal insulation of double-ceramic-ayer ther- mal barrier coatings ZHOU Guo-dong,CHEN Shu-hai,HUANG Ji-hua School of Materials Science and Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:Jihuahuang47@sina.com ABSTRACT Opaque and translucent physical models of double-ceramic-layer thermal barrier coatings (DCL-TBCs)were established with the theory of heat conduction,convection and radiation.The steady temperature field was simulated with ANSYS software.When the ceramic is opaque,with the top ceramic layer thickness increasing,the upper side temperature of the top ceramic layer linearly in- creases,but that of the second ceramic and bonding layers linearly decrease.When the double ceramic is weakly translucent,the trend of temperature is similar to the opaque's.When the ceramic is highly translucent,with the top ceramic layer thickness increasing,the upper side temperature of the top ceramic layer is a little lower and that of the second ceramic layer is higher than the opaque's:the up- per side temperature of the bonding layer firstly fast,secondly slowly decreases and then keeps constant,but much higher than the opaque's. KEY WORDS thermal barrier coatings:ceramics:heat radiation:thermal insulation 随着航空发动机向更高推重比方向发展，需要 系数和更高应变容限的陶瓷材料作第二层，实现 更高燃气进口温度，而传统的氧化钇稳定的氧化锆 对基体合金材料的保护.热循环寿命往往高于单 (YSZ)热障涂层很难满足更高的隔热效果和更长的 陶瓷层热障涂层，甚至高于传统YSZ热障涂层，但 服役寿命要求. 很少研究隔热效果，而且通常根据单陶瓷层制备 采用低热导率的新陶瓷材料制备单陶瓷层热 经验直接制备一定厚度的双陶瓷层.随着燃 障涂层，虽隔热效果明显提高，但因新陶瓷层与基 气进口温度的提高，热辐射在热障涂层热传递中 体热膨胀不匹配，服役寿命仍不理想)，因此采 比例增加，影响双陶瓷层热障涂层(DCL-TBCs)的 用双陶瓷层热障涂层.双陶瓷层热障涂层是利用 隔热效果.为了预测这种影响，本文采用有限元 两种陶瓷层性能优势互补，选用更高使用温度和 ANSYS软件模拟研究了热辐射在高温下对各层温 更低热导率的陶瓷材料作表层，选用更高热膨胀 度分布影响. 收稿日期：201104-13 基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目(61311203B)
第 34 卷 第 5 期 2012 年 5 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 34 No． 5 May 2012 热辐射对双陶瓷层热障涂层的隔热影响 周国栋 陈树海 黄继华 北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083 通信作者: E-mail: Jihuahuang47@ sina． com 摘 要 基于热传导、热对流和热辐射理论建立了双陶瓷层热障涂层不透明和半透明物理模型，采用有限元 ANSYS 软件模拟 了稳态温度场． 双陶瓷层在不透明时，顶层厚度增加，顶层上表面温度线性增加，第二层和黏结层上表面温度线性降低． 在半 透明性弱时，与不透明情况类似． 在半透明性强时，顶层上表面温度略低于不透明时，第二层上表面温度高于不透明时，黏结 层上表面温度先快速后缓慢降低再保持不变，且远高于不透明时． 关键词 热障涂层; 陶瓷; 热辐射; 隔热 分类号 TG174 Effect of heat radiation on the thermal insulation of double-ceramic-layer thermal barrier coatings ZHOU Guo-dong，CHEN Shu-hai，HUANG Ji-hua School of Materials Science and Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: Jihuahuang47@ sina． com ABSTRACT Opaque and translucent physical models of double-ceramic-layer thermal barrier coatings ( DCL-TBCs) were established with the theory of heat conduction，convection and radiation． The steady temperature field was simulated with ANSYS software． When the ceramic is opaque，with the top ceramic layer thickness increasing，the upper side temperature of the top ceramic layer linearly increases，but that of the second ceramic and bonding layers linearly decrease． When the double ceramic is weakly translucent，the trend of temperature is similar to the opaque's． When the ceramic is highly translucent，with the top ceramic layer thickness increasing，the upper side temperature of the top ceramic layer is a little lower and that of the second ceramic layer is higher than the opaque's; the upper side temperature of the bonding layer firstly fast，secondly slowly decreases and then keeps constant，but much higher than the opaque's． KEY WORDS thermal barrier coatings; ceramics; heat radiation; thermal insulation 收稿日期: 2011--04--13 基金项目: 国家重点基础研究发展计划资助项目( 61311203B) 随着航空发动机向更高推重比方向发展，需要 更高燃气进口温度，而传统的氧化钇稳定的氧化锆 ( YSZ) 热障涂层很难满足更高的隔热效果和更长的 服役寿命要求． 采用低热导率的新陶瓷材料制备单陶瓷层热 障涂层，虽隔热效果明显提高，但因新陶瓷层与基 体热膨胀不匹配，服役寿命仍不理想［1--3］，因此采 用双陶瓷层热障涂层． 双陶瓷层热障涂层是利用 两种陶瓷层性能优势互补，选用更高使用温度和 更低热导率的陶瓷材料作表层，选用更高热膨胀 系数和更高应变容限的陶瓷材料作第二层，实现 对基体合金材料的保护． 热循环寿命往往高于单 陶瓷层热障涂层，甚至高于传统 YSZ 热障涂层，但 很少研究隔热效果，而且通常根据单陶瓷层制备 经验直接制备一定厚度的双陶瓷层［4--8］． 随着燃 气进口温度的提高，热辐射在热障涂层热传递中 比例增加，影响双陶瓷层热障涂层( DCL--TBCs) 的 隔热效果． 为了预测这种影响，本文采用有限元 ANSYS 软件模拟研究了热辐射在高温下对各层温 度分布影响． DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2012.05.012
第5期 周国栋等：热辐射对双陶瓷层热障涂层的隔热影响 ·559· 1双陶瓷层热障涂层物理模型与数学模型 高温燃气 航空发动机叶片燃气进口温度不高时或叶片远 离燃烧室时（如次一级工作叶片），陶瓷层通常处于 不透明的状态.所谓不透明状态是指燃气热辐射绝 大部分被陶瓷层吸收，少量反射.热传递过程如图1 半透明胸瓷层1 所示：高温燃气与第一层陶瓷层上表面的气膜对流 半透明胸瓷尽2 换热，同时高温燃气直接与第一层陶瓷层上表面辐 黏结层 射换热，部分被表层吸收，另外一部分被反射掉.第 一层陶瓷层上表面迅速升温后，也向外辐射，同时涂 基体 层内部热传导.热量经第二层陶瓷层和金属黏结层 3 热传导到达高温合金基体，高温合金基体下表面向 冷却空气 外辐射，同时与冷却空气对流换热 图2双陶瓷层热障涂层半透明物理模型示意图 高温燃气 Fig.2 Schematic illustration of the translucent physical model of DCL-TBCs 度；h、h分别为高温燃气和冷却空气的平均对流 陶瓷层1 换热系数：TT分别为高温燃气和冷却空气的平 陶瓷层2 均温度：Tp、T分别为顶层上表面和基体下表面稳 黏结层 态温度：em和s分别为顶层上表面和基体下表面 辐射率；ε为高温燃气辐射率，假设高温燃气是黑 基体 体，则E为1；a和p分别为顶层上表面对高温燃气 辐射的吸收率和反射率，且α+p=1,根据基尔霍夫 对 冷却空气 定律回，对于漫灰表面，α=spo为斯特藩一玻尔兹 曼常数，5.67×10-8Wm2.K-4 图1双陶瓷层热障涂层不透明物理模型示意图 无论双陶瓷层不透明或半透明时，热传导在双 Fig.I Schematic illustration of the opaque physical model of DCL- 陶瓷层热障涂层内遵循傅里叶定律 TBCs 9=-AgradT. (2) 式中：q为热流密度，W·m-2;入为导热系数，W·m-1。 航空发动机叶片燃气进口温度很高时或叶片靠 K-1;gradT为温度梯度，K·m-l;负号表示热流方向 近燃烧室时（如导向叶片和第一级工作叶片），陶瓷 沿着温度降低方向，与温度梯度方向相反 层往往处于半透明的状态.所谓半透明状态是指燃 气热辐射一部分被陶瓷层吸收，一部分透过陶瓷层， 双陶瓷层半透明时，以双陶瓷层热障涂层为控 制体，平衡时建立能量方程 剩余部分反射.透过的热辐射在陶瓷层中衰减被吸 收，衰减系数越小，半透明性越强；衰减系数越大，半 gconv agradi +Tqradi =qcomy +qup+pqradi+qom(3) 式中，？为顶层上表面对高温燃气辐射的透过率，且 透明性越弱.热传递过程如图2所示 T+a+p=1. 根据能量守恒原理，双陶瓷层不透明时，以双陶 透过辐射在双陶瓷层内遵循布格儿定律可，呈 瓷层热障涂层为控制体，平衡时建立能量方程 指数衰减规律 gcony +amdi =gcomv +qup +pqradi +qom,(1a) I loexp (-kl) (4) ha（T-Tp）+QET=hm（Ti.-Ti）+ 式中，1，为离顶层上表面l距离处辐射热流密度，1。 ST+peuT+Ti (1b) 为顶层上表面处辐射热流密度，！为离顶层上表面 式中：q为热流密度，W·m2:q和qat分别为高温 距离，k为衰减系数 燃气与顶层上表面热对流和热辐射的热流密度： 透过辐射在两陶瓷层间向顶层陶瓷层内反射一 9qm和q分别为冷却空气与基体下表面热对 部分，呈指数规律衰减并吸收，透过辐射在第二层陶 流、顶层上表面和基体下表面对外热辐射的热流密 瓷层与黏结层层间向第二层陶瓷层内反射一部分
第 5 期 周国栋等: 热辐射对双陶瓷层热障涂层的隔热影响 1 双陶瓷层热障涂层物理模型与数学模型 航空发动机叶片燃气进口温度不高时或叶片远 离燃烧室时( 如次一级工作叶片) ，陶瓷层通常处于 不透明的状态． 所谓不透明状态是指燃气热辐射绝 大部分被陶瓷层吸收，少量反射． 热传递过程如图 1 所示: 高温燃气与第一层陶瓷层上表面的气膜对流 换热，同时高温燃气直接与第一层陶瓷层上表面辐 射换热，部分被表层吸收，另外一部分被反射掉． 第 一层陶瓷层上表面迅速升温后，也向外辐射，同时涂 层内部热传导． 热量经第二层陶瓷层和金属黏结层 热传导到达高温合金基体，高温合金基体下表面向 外辐射，同时与冷却空气对流换热． 图 1 双陶瓷层热障涂层不透明物理模型示意图 Fig． 1 Schematic illustration of the opaque physical model of DCLTBCs 航空发动机叶片燃气进口温度很高时或叶片靠 近燃烧室时( 如导向叶片和第一级工作叶片) ，陶瓷 层往往处于半透明的状态． 所谓半透明状态是指燃 气热辐射一部分被陶瓷层吸收，一部分透过陶瓷层， 剩余部分反射． 透过的热辐射在陶瓷层中衰减被吸 收，衰减系数越小，半透明性越强; 衰减系数越大，半 透明性越弱． 热传递过程如图 2 所示． 根据能量守恒原理，双陶瓷层不透明时，以双陶 瓷层热障涂层为控制体，平衡时建立能量方程 qconv + αqradi = q' conv + qup + ρqradi + qlow， ( 1a) hgas( Tgas － Tup ) + αεgasσT4 = hair( Tair － Tlow ) + εupσT4 up + ρεgasσT4 + εlowσT4 low ． ( 1b) 式中: q 为热流密度，W·m － 2 ; qconv和 qradi分别为高温 燃气与顶层上表面热对流和热辐射的热流密度; q' conv、qup和 qlow 分别为冷却空气与基体下表面热对 流、顶层上表面和基体下表面对外热辐射的热流密 图 2 双陶瓷层热障涂层半透明物理模型示意图 Fig． 2 Schematic illustration of the translucent physical model of DCL-TBCs 度; hgas、hair分别为高温燃气和冷却空气的平均对流 换热系数; Tgas、Tair分别为高温燃气和冷却空气的平 均温度; Tup、Tlow分别为顶层上表面和基体下表面稳 态温度; εup和 εlow分别为顶层上表面和基体下表面 辐射率; εgas为高温燃气辐射率，假设高温燃气是黑 体，则 εgas为1; α 和 ρ 分别为顶层上表面对高温燃气 辐射的吸收率和反射率，且 α + ρ = 1，根据基尔霍夫 定律［9］，对于漫灰表面，α = εup ; σ 为斯特藩--玻尔兹 曼常数，5. 67 × 10 － 8 W·m － 2 ·K － 4 ． 无论双陶瓷层不透明或半透明时，热传导在双 陶瓷层热障涂层内遵循傅里叶定律［9］ q = － λgradT． ( 2) 式中: q 为热流密度，W·m － 2 ; λ 为导热系数，W·m － 1 · K － 1 ; gradT 为温度梯度，K·m － 1 ; 负号表示热流方向 沿着温度降低方向，与温度梯度方向相反． 双陶瓷层半透明时，以双陶瓷层热障涂层为控 制体，平衡时建立能量方程 qconv + αqradi + τqradi = q' conv + qup + ρqradi + qlow ． ( 3) 式中，τ 为顶层上表面对高温燃气辐射的透过率，且 τ + α + ρ = 1． 透过辐射在双陶瓷层内遵循布格儿定律［9］，呈 指数衰减规律 Il = I0 exp ( － kl) ． ( 4) 式中，Il 为离顶层上表面 l 距离处辐射热流密度，I0 为顶层上表面处辐射热流密度，l 为离顶层上表面 距离，k 为衰减系数． 透过辐射在两陶瓷层间向顶层陶瓷层内反射一 部分，呈指数规律衰减并吸收，透过辐射在第二层陶 瓷层与黏结层层间向第二层陶瓷层内反射一部分， ·559·
·560 北京科技大学学报 第34卷 呈指数规律衰减并吸收，剩余透过辐射被黏结层吸 限元模型如图3所示 收，因此，透过辐射在双陶瓷层内衰减吸收，可以等 效转换成有限元模型中生热率载荷 2双陶瓷层热障涂层有限元模拟 航空发动机叶片热障涂层的厚度相对于叶片其 他方向无限小，可以近似成沿着热障涂层厚度方向 的一维传热.本文主要研究考察双陶瓷层热障涂层 高温时稳态温度场.作如下假设： (1)各层材料无缺陷且各向同性； (2)顶层陶瓷层上表面和基体下表面漫灰 反射： (3)模型两侧确定为绝热边界： (4)三维问题简化为二维问题. 2.1双陶瓷层热障涂层实体模型 图3双陶瓷层热障涂层有限元模型 选择基体厚1mm,黏结层厚50μm,各层宽度为 Fig.3 Schema of the finite element model of DCL-TBCs 1mm.考察双陶瓷层相对厚度变化对隔热影响时， 保持总厚度300μm不变，顶层陶瓷层厚度从50μm 3双陶瓷层热障涂层有限元模拟结果与分析 递增25~250μm. 2.2双陶瓷层热障涂层有限元模型 3.1热辐射对不透明时各层温度影响 2.2.1边界条件 双陶瓷层不透明时，顶层陶瓷层上表面辐射率 高温燃气温度2000K,平均对流换热系数为 对顶层上表面温度影响如图4所示.随着顶层厚度 3000W·m-2K-1,冷却空气温度1000K,平均对流 从50μm递增到250um,顶层上表面温度线性增 换热系数为3750W·m-2,K-1,模型初始温度为300K. 加：顶层陶瓷层上表面有黑色积炭时，辐射率为 2.2.2材料热物理性能参数 0.97,从1677K增加到1720K;氧化物陶瓷层折射 根据YSZ实测的室温热导率和辐射特性参 率为1.6左右时，辐射率为0.95，与有积炭时近似， 数0-切，顶层和第二层陶瓷层热导率分别取为1.0 从1676K增加到1718K;氧化物陶瓷层折射率为 和2.0W·m1·K-1,实际使用的黏结层和合金基体 2.0左右时，辐射率为0.90，较有积炭时略低，从 热导率比较接近且远远高于陶瓷层，分别取为15.0 1672K增加到1715K;不考虑辐射时，即辐射率为 和20.0Wm1·K-1.高温合金基体下表面通常氧 0,则远远低于有积炭，从1598K增加到1641K,低 化，取辐射率为0.7，顶层陶瓷层因折射率不同取上 于相同厚度有积炭时80K左右 表面辐射率不透明时为0.90、0.95、0.97和半透明 1720 时为0.2、0.3：高温燃气辐射波长小于5μm时对顶 1710 1700 1690 层陶瓷层透过率为0.3：顶层陶瓷层半透明性较强 色160 期1670 -E=0.90 时，假设衰减系数为1000m',半透明性较弱时，衰 回1660 -0-E=0.95 4e=0.97 减系数为20000m1,第二层陶瓷层衰减系数为 e=0 1640 10000m-1:根据氧化物陶瓷的折射率范围和电磁场 1610 理论—菲涅耳公式，两陶瓷层间和第二层陶瓷层 600 与黏结层间透过辐射的反射率不超过10%. 50 100150200250 顶层厚度/μm 2.2.3热载荷施加及网格划分 选用二维四节点四边形平面单元(plane55)离 图4不透明时顶层上表面辐射率对顶层上表面温度影响 Fig.4 Upper side temperature of the top layer as a function of the ra- 散化，二维表面效应单元(SURF1:51)加载热对流，二 diance of the top layer in opaque situation 维表面效应单元和空间节点加载不透明时热辐射， 生热率加载半透明时透过辐射，热流密度加载剩余 顶层陶瓷层上表面辐射率对第二层上表面温度 透过辐射，一级智能网格划分，双陶瓷层热障涂层有 影响如图5所示.随着顶层厚度从50m递增到
北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 呈指数规律衰减并吸收，剩余透过辐射被黏结层吸 收． 因此，透过辐射在双陶瓷层内衰减吸收，可以等 效转换成有限元模型中生热率载荷． 2 双陶瓷层热障涂层有限元模拟 航空发动机叶片热障涂层的厚度相对于叶片其 他方向无限小，可以近似成沿着热障涂层厚度方向 的一维传热． 本文主要研究考察双陶瓷层热障涂层 高温时稳态温度场． 作如下假设: ( 1) 各层材料无缺陷且各向同性; ( 2) 顶层 陶 瓷 层 上 表 面 和 基 体 下 表 面 漫 灰 反射; ( 3) 模型两侧确定为绝热边界; ( 4) 三维问题简化为二维问题． 2. 1 双陶瓷层热障涂层实体模型 选择基体厚 1 mm，黏结层厚 50 μm，各层宽度为 1 mm． 考察双陶瓷层相对厚度变化对隔热影响时， 保持总厚度 300 μm 不变，顶层陶瓷层厚度从 50 μm 递增 25 ～ 250 μm． 2. 2 双陶瓷层热障涂层有限元模型 2. 2. 1 边界条件 高温燃气温度 2 000 K，平均对流换热系数为 3 000 W·m － 2 ·K － 1 ，冷却空气温度 1 000 K，平均对流 换热系数为3750 W·m －2 ·K－1 ，模型初始温度为300 K． 2. 2. 2 材料热物理性能参数 根据 YSZ 实测的室温热导率和辐射特性参 数［10--12］，顶层和第二层陶瓷层热导率分别取为 1. 0 和 2. 0 W·m － 1 ·K － 1 ，实际使用的黏结层和合金基体 热导率比较接近且远远高于陶瓷层，分别取为 15. 0 和 20. 0 W·m － 1 ·K － 1 ． 高温合金基体下表面通常氧 化，取辐射率为 0. 7，顶层陶瓷层因折射率不同取上 表面辐射率不透明时为 0. 90、0. 95、0. 97 和半透明 时为 0. 2、0. 3; 高温燃气辐射波长小于 5 μm 时对顶 层陶瓷层透过率为 0. 3; 顶层陶瓷层半透明性较强 时，假设衰减系数为 1 000 m － 1 ，半透明性较弱时，衰 减系数 为 20 000 m － 1 ，第 二 层 陶 瓷 层 衰 减 系 数 为 10 000 m － 1 ; 根据氧化物陶瓷的折射率范围和电磁场 理论———菲涅耳公式，两陶瓷层间和第二层陶瓷层 与黏结层间透过辐射的反射率不超过 10% ． 2. 2. 3 热载荷施加及网格划分 选用二维四节点四边形平面单元( plane55) 离 散化，二维表面效应单元( SURF151) 加载热对流，二 维表面效应单元和空间节点加载不透明时热辐射， 生热率加载半透明时透过辐射，热流密度加载剩余 透过辐射，一级智能网格划分，双陶瓷层热障涂层有 限元模型如图 3 所示． 图 3 双陶瓷层热障涂层有限元模型 Fig． 3 Schema of the finite element model of DCL-TBCs 3 双陶瓷层热障涂层有限元模拟结果与分析 3. 1 热辐射对不透明时各层温度影响 双陶瓷层不透明时，顶层陶瓷层上表面辐射率 对顶层上表面温度影响如图 4 所示． 随着顶层厚度 从 50 μm 递增到 250 μm，顶层上表面温度线性增 加: 顶层陶瓷层上表面有黑色积炭时，辐 射 率 为 0. 97，从 1 677 K 增加到 1 720 K; 氧化物陶瓷层折射 率为 1. 6 左右时，辐射率为 0. 95，与有积炭时近似， 从 1 676 K 增加到 1 718 K; 氧化物陶瓷层折射率为 2. 0 左右时，辐射率为 0. 90，较有积炭时略低，从 1 672 K增加到 1 715 K; 不考虑辐射时，即辐射率为 0，则远远低于有积炭，从 1 598 K 增加到 1 641 K，低 于相同厚度有积炭时 80 K 左右． 图 4 不透明时顶层上表面辐射率对顶层上表面温度影响 Fig． 4 Upper side temperature of the top layer as a function of the radiance of the top layer in opaque situation 顶层陶瓷层上表面辐射率对第二层上表面温度 影响如图 5 所示． 随着顶层厚度从 50 μm 递增到 ·560·
第5期 周国栋等：热辐射对双陶瓷层热障涂层的隔热影响 561· 250μm,第二层上表面温度线性降低：辐射率为 1430 0.97时，从1606K降低到1409K;辐射率为0.95 1420 -e=0.90 时，与有积炭时近似：辐射率为0.90时，较有积炭时 盖1410 1400 略低，从1601K降低到1406K;不考虑辐射时则远 远低于有积炭，从1537K降低到1372K,低于相同 是 厚度有积炭时37~69K,且随着顶层厚度越大相差 越少 1350 1340 50 100150200 250 ·-E=0.90 顶层厚度μm -e=0.95 1550 -E=0.97 -E=0 图6不透明时顶层上表面辐射率对黏结层上表面温度影响 Fig.6 Upper side temperature of the bonding layer as a function of 1500 the radiance of the top layer in opaque situation 1450 1720 1400 1710 不透明，=0.9 -=1000m1,E=0.2 1350L 4-k=1000m.e=0.3 50 100150200250 兰1700 顶层厚度m 1690 图5不透明时顶层上表面辐射率对第二层上表面温度影响 1680 Fig.5 Upper side temperature of the second layer as a function of the 160 radiance of the top layer in opaque situation 1660 v-k=2000m-,=0.2 -k=2000m',-0.3 1650 项层陶瓷层上表面辐射率对黏结层上表面温度 50 100150200 250 影响如图6所示.随着顶层厚度从50μm递增到 顶层厚度/μm 250μm,黏结层上表面温度线性降低：辐射率为 图7半透明时顶项层上表面辐射率对顶层上表面温度影响 0.97时，从1429K降低到1378K:辐射率为0.95时 Fig.7 Upper side temperature of the top layer as a function of the ra- 与有积炭时近似；辐射率为0.9时，较有积炭时略 diance of the top layer in translucent situation 低，从1426K降低到1375K;不考虑辐射时则远远 时，从1588K降低到1406K,略低于不透明时.半 低于有积炭，从1386K降低到1345K,低于相同厚 透明性强且衰减系数为1000m1,辐射率为0.3时， 度有积炭时33~43K,且随着顶层厚度越大相差 从1605K降低到1443K,高于不透明时：辐射率为 越少. 0.2时，从1597K增加到1438K,小于100μm时低 3.2热辐射对半透明时各层温度影响 于不透明时，大于100m时高于不透明时. 双陶瓷层处于半透明时，衰减系数很大时，半透 160 -不透明.￡-0.9 明性较弱：衰减系数很小时，半透明性较强.顶层陶 o-k=1000m-1.E=0.2 -k=1000m,=0.3 瓷层上表面辐射率对项层上表面温度影响如图7所 1550 k=2000m1.-0.2 d-k=2000mle=0.3 示.随着顶层厚度从50μm递增到250μm,顶层上 袋 1500 表面温度近似线性增加，且均低于相同厚度不透明 时.半透明性弱且衰减系数为20000m1,辐射率为 1450 0.3时，从1659K增加到1711K;辐射率为0.2时， 1400 从1650K增加到1703K.半透明性强且衰减系数 50 100 150200 250 顶层厚度μm 为1000m1,辐射率为0.3时，从1664K增加到 1704K:辐射率为0.2时，从1655K增加到1696K. 图8半透明时顶层上表面辐射率对第二层上表面温度影响 顶层陶瓷层上表面辐射率对第二层上表面温度 Fig.8 Upper side temperature of the second layer as a function of the radiance of the top layer in translucent situation 影响如图8所示.随着顶层厚度从50um递增到 250μm,第二层上表面温度近似线性降低.半透明 顶层陶瓷层上表面辐射率对黏结层上表面温度 性弱且衰减系数为20000m-1,辐射率为0.3时，从 影响如图9所示.随着顶层厚度从50m递增到 1596K降低到1411K,小于100μm时低于不透明 250u.m,半透明性弱且衰减系数为20000m-1,黏结 时，大于100μm时则高于不透明时；辐射率为0.2 层上表面温度近似线性降低，辐射率为0.3时，从
第 5 期 周国栋等: 热辐射对双陶瓷层热障涂层的隔热影响 250 μm，第二层上表面温度线性降低: 辐 射 率 为 0. 97 时，从 1 606 K 降低到 1 409 K; 辐射率为 0. 95 时，与有积炭时近似; 辐射率为 0. 90 时，较有积炭时 略低，从 1 601 K 降低到 1 406 K; 不考虑辐射时则远 远低于有积炭，从 1 537 K 降低到 1 372 K，低于相同 厚度有积炭时 37 ～ 69 K，且随着顶层厚度越大相差 越少． 图 5 不透明时顶层上表面辐射率对第二层上表面温度影响 Fig． 5 Upper side temperature of the second layer as a function of the radiance of the top layer in opaque situation 顶层陶瓷层上表面辐射率对黏结层上表面温度 影响如图 6 所示． 随着顶层厚度从 50 μm 递增到 250 μm，黏结层上表面温度线性降低: 辐 射 率 为 0. 97 时，从1429 K 降低到1378 K; 辐射率为0. 95 时 与有积炭时近似; 辐射率为 0. 9 时，较有积炭时略 低，从 1 426 K 降低到 1 375 K; 不考虑辐射时则远远 低于有积炭，从 1 386 K 降低到 1 345 K，低于相同厚 度有积炭时 33 ～ 43 K，且随着顶层厚度越大相差 越少． 3. 2 热辐射对半透明时各层温度影响 双陶瓷层处于半透明时，衰减系数很大时，半透 明性较弱; 衰减系数很小时，半透明性较强． 顶层陶 瓷层上表面辐射率对顶层上表面温度影响如图 7 所 示． 随着顶层厚度从 50 μm 递增到 250 μm，顶层上 表面温度近似线性增加，且均低于相同厚度不透明 时． 半透明性弱且衰减系数为 20 000 m － 1 ，辐射率为 0. 3 时，从 1 659 K 增加到 1 711 K; 辐射率为 0. 2 时， 从 1 650 K 增加到 1 703 K． 半透明性强且衰减系数 为 1 000 m － 1 ，辐射率为 0. 3 时，从 1 664 K 增加到 1 704 K; 辐射率为 0. 2 时，从 1 655 K 增加到 1 696 K． 顶层陶瓷层上表面辐射率对第二层上表面温度 影响如图 8 所示． 随着顶层厚度从 50 μm 递增到 250 μm，第二层上表面温度近似线性降低． 半透明 性弱且衰减系数为 20 000 m － 1 ，辐射率为 0. 3 时，从 1 596 K 降低到 1 411 K，小于 100 μm 时低于不透明 时，大于 100 μm 时则高于不透明时; 辐射率为 0. 2 图 6 不透明时顶层上表面辐射率对黏结层上表面温度影响 Fig． 6 Upper side temperature of the bonding layer as a function of the radiance of the top layer in opaque situation 图 7 半透明时顶层上表面辐射率对顶层上表面温度影响 Fig． 7 Upper side temperature of the top layer as a function of the radiance of the top layer in translucent situation 时，从 1 588 K 降低到 1 406 K，略低于不透明时． 半 透明性强且衰减系数为 1000 m － 1 ，辐射率为0. 3 时， 从 1 605 K 降低到 1 443 K，高于不透明时; 辐射率为 0. 2 时，从 1 597 K 增加到 1 438 K，小于 100 μm 时低 于不透明时，大于 100 μm 时高于不透明时． 图 8 半透明时顶层上表面辐射率对第二层上表面温度影响 Fig． 8 Upper side temperature of the second layer as a function of the radiance of the top layer in translucent situation 顶层陶瓷层上表面辐射率对黏结层上表面温度 影响如图 9 所示． 随着顶层厚度从 50 μm 递增到 250 μm，半透明性弱且衰减系数为 20 000 m － 1 ，黏结 层上表面温度近似线性降低，辐射率为 0. 3 时，从 ·561·
·562 北京科技大学学报 第34卷 1425K降低到1380K,略高于不透明时：辐射率为 参考文献 0.2时，从1419K降低到1375K,略低于不透明时. [Xu Z H,He L M,Zhong X H,et al.Thermal barrier coating of 半透明性强且衰减系数为1000m',远远高于不透 lanthanum-irconium-cerium composite oxide made by electron 明时，辐射率为0.3时，从50m时1436K快速降 beam-physical vapor deposition.J Alloys Compd,2009,478(1/ 2):168 低到125um时1422K再缓慢降低到225m时 [2]Zhao H B,Levi C G,Wadley H N G.Vapor deposited samarium 1414K后保持不变；辐射率为0.2时，从50m时 zirconate thermal barrier coatings.Surf Coat Technol,2009,203 1431K快速降低到125μm时1417K再缓慢降低到 (20/21):3157 225μm时1410K后保持不变. B] Yu J H,Zhao H Y,Tao S Y,et al.Thermal conductivity of plas- ma sprayed Sm2Zr20,coatings.J Eur Ceram Soc,2010,30(3): 1440 -不透明，=0.9 799 o-k=1000m-0.2 4]Wei O L,Guo H B,Gong S K,et al.Novel microstructure of EB- 1420 PVD double ceramic layered thermal barrier coatings.Thin Solid 1410 Fims,2008,516(16):5736 1400 [5]Ma W,Gong S K,Li H F,et al.Novel thermal barrier coatings --k=1000m,e03 based on La,Ce,0,/8YSZ double-ceramic-ayer systems deposited 1380 -v-=2000m1,=0.2 -4-=2000m',-0.3 by electron beam physical vapor deposition.Surf Coat Technol, 1370 2008,202(12):2704 50 100 150200 250 顶层厚度/μm [6]Xu Z H,He L M,Mu R D,et al.Double-ceramic-ayer thermal barrier coatings of Laz Zr2 0/YSZ deposited by electron beam- 图9半透明时顶层上表面辐射率对黏结层上表面温度影响 physical vapor deposition.J Alloys Compd,2009,473 (1/2): Fig.9 Upper side temperature of the bonding layer as a function of 509 the radiance of the top layer in translucent situation Xu Z H,He L M,Mu R D,et al.Double-ceramic-ayer thermal barrier coatings based on Laz (Zro7Ceo.3)207/La Ce20 deposi- 4结论 ted by electron beam-physical vapor deposition.Appl Surf Sci, 2010,256(11):3661 (1)双陶瓷层在不透明时，总厚度不变而顶层 [8]Xu Z H,He S M,He L M,et al.Novel thermal barrier coatings 厚度增加时，顶层上表面温度线性增加，第二层和黏 based on Laz (Zro.7 Ceo.3)20/8YSZ double-ceramic-ayer sys- 结层上表面温度线性降低.顶层陶瓷层上表面辐射 tems deposited by electron beam physical vapor deposition.J Al- 率增大，均增大各层温度，但增大幅度很小；不考虑 loys Compd,2011,509(11):4273 9]Zhang J Z.Higher Heat Transfer.Beijing:Science Press,2009 热辐射，各层温度明显降低 (张靖周.高等传热学.北京：科学出版社，2009) (2)双陶瓷层在半透明性弱时，各层温度与不 [10]Ratzer-Scheibe H J,Schulz U,Krell T.The effect of coating 透明情况类似. thickness on the thermal conductivity of EB-PVD PYSZ thermal (3)双陶瓷层在半透明性强时，总厚度不变而 barrier coatings.Suf Coat Technol,2006.200(18/19):5636 顶层厚度增加时，顶层上表面温度近似线性增加，略 [11]Siegel R,Spuckler C M.Analysis of thermal radiation effects on temperatures in turbine engine thermal barrier coatings.Mater 低于不透明时：第二层上表面温度近似线性降低， Sci Eng A,1998,245(2):150 高于不透明时：黏结层上表面温度先快速后缓慢 12 Manara J,Arduini-Schuster M,Ratzer-Scheibe H J,et al.Infra- 降低再保持不变，远远高于不透明时：顶层陶瓷层 red-optical properties and heat transfer coefficients of semitrans- 上表面辐射率增大时，均提高各层温度，且增大幅 parent thermal barrier coatings.Suf Coat Technol,2009,203 度很大 (8):1059
北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 1 425 K降低到 1 380 K，略高于不透明时; 辐射率为 0. 2 时，从 1 419 K 降低到 1 375 K，略低于不透明时． 半透明性强且衰减系数为 1 000 m － 1 ，远远高于不透 明时，辐射率为 0. 3 时，从 50 μm 时 1 436 K 快速降 低到 125 μm 时 1 422 K 再缓慢降低到 225 μm 时 1 414 K后保持不变; 辐射率为 0. 2 时，从 50 μm 时 1 431 K快速降低到 125 μm 时 1 417 K 再缓慢降低到 225 μm 时 1 410 K 后保持不变． 图 9 半透明时顶层上表面辐射率对黏结层上表面温度影响 Fig． 9 Upper side temperature of the bonding layer as a function of the radiance of the top layer in translucent situation 4 结论 ( 1) 双陶瓷层在不透明时，总厚度不变而顶层 厚度增加时，顶层上表面温度线性增加，第二层和黏 结层上表面温度线性降低． 顶层陶瓷层上表面辐射 率增大，均增大各层温度，但增大幅度很小; 不考虑 热辐射，各层温度明显降低． ( 2) 双陶瓷层在半透明性弱时，各层温度与不 透明情况类似． ( 3) 双陶瓷层在半透明性强时，总厚度不变而 顶层厚度增加时，顶层上表面温度近似线性增加，略 低于不透明时; 第二层上表面温度近似线性降低， 高于不透明时; 黏结层上表面温度先快速后缓慢 降低再保持不变，远远高于不透明时; 顶层陶瓷层 上表面辐射率增大时，均提高各层温度，且增大幅 度很大． 参 考 文 献 ［1］ Xu Z H，He L M，Zhong X H，et al． Thermal barrier coating of lanthanum-zirconium-cerium composite oxide made by electron beam-physical vapor deposition． J Alloys Compd，2009，478 ( 1 / 2) : 168 ［2］ Zhao H B，Levi C G，Wadley H N G． Vapor deposited samarium zirconate thermal barrier coatings． Surf Coat Technol，2009，203 ( 20 /21) : 3157 ［3］ Yu J H，Zhao H Y，Tao S Y，et al． Thermal conductivity of plasma sprayed Sm2 Zr2O7 coatings． J Eur Ceram Soc，2010，30( 3) : 799 ［4］ Wei Q L，Guo H B，Gong S K，et al． Novel microstructure of EBPVD double ceramic layered thermal barrier coatings． Thin Solid Films，2008，516( 16) : 5736 ［5］ Ma W，Gong S K，Li H F，et al． Novel thermal barrier coatings based on La2Ce2O7 /8YSZ double-ceramic-layer systems deposited by electron beam physical vapor deposition． Surf Coat Technol， 2008，202( 12) : 2704 ［6］ Xu Z H，He L M，Mu R D，et al． Double-ceramic-layer thermal barrier coatings of La2 Zr2 O7 /YSZ deposited by electron beamphysical vapor deposition． J Alloys Compd，2009，473 ( 1 /2 ) : 509 ［7］ Xu Z H，He L M，Mu R D，et al． Double-ceramic-layer thermal barrier coatings based on La2 ( Zr0. 7Ce0. 3 ) 2O7 / La2Ce2O7 deposited by electron beam-physical vapor deposition． Appl Surf Sci， 2010，256( 11) : 3661 ［8］ Xu Z H，He S M，He L M，et al． Novel thermal barrier coatings based on La2 ( Zr0. 7 Ce0. 3 ) 2 O7 /8YSZ double-ceramic-layer systems deposited by electron beam physical vapor deposition． J Alloys Compd，2011，509( 11) : 4273 ［9］ Zhang J Z． Higher Heat Transfer． Beijing: Science Press，2009 ( 张靖周． 高等传热学． 北京: 科学出版社，2009) ［10］ Rtzer-Scheibe H J，Schulz U，Krell T． The effect of coating thickness on the thermal conductivity of EB-PVD PYSZ thermal barrier coatings． Surf Coat Technol，2006，200( 18 /19) : 5636 ［11］ Siegel R，Spuckler C M． Analysis of thermal radiation effects on temperatures in turbine engine thermal barrier coatings． Mater Sci Eng A，1998，245( 2) : 150 ［12］ Manara J，Arduini-Schuster M，Rtzer-Scheibe H J，et al． Infrared-optical properties and heat transfer coefficients of semitransparent thermal barrier coatings． Surf Coat Technol，2009，203 ( 8) : 1059 ·562·