YPSZ涂层隔热性能预测.pdf

有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年增刊 8 5 ‘ Y P S Z 涂层隔热性能预测 刘富荣，于月光，任先京，曾克里 北京矿冶研究总院，北京1 0 0 0 4 4 P r e d i c t i o n so nt h eH e a tI n s u l a t i o nP e r f o r m a n c eo ft h eY P S ZC o a t i n g s L I UF u r o n g ，Y UY u e - g u a n g ，R E NX i a n - j i n g ，Z E N GK e - l i B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n g8 LM e t a l l u r g y ．B e i i i n g1 0 0 0 4 4 C K n a A b s t r a c t T h e r m a lb a r r i e rc o a t i n g s T B C s h a v eb e e nw i d e l ya p p l i e dt Op r o t e c tm e t a l l i cc o m p o n e n t si ng a s t u r b i n e so ra e r oe n g i n ea g a i n s tt h eh i g ht e m p e r a t u r e s ．I nt h er e c e n td e c a d e ，c o n s i d e r a b l en u m e r i c a lm o d e l s h a v eb e e nb u i l tu pt Op r e s e n tt h et h e r m a ls p r a yp r o c e s s ．H o w e v e r ，m u c hl e s sw o r kh a sf o c u s e do nt h ep r e d i c t i o no ft h ei n s u l a t i o nt e m p e r a t u r et ot h eT B C s ，w h i c hi sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e rt oa f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo ft h eT B C sd u r i n gt h e i ra p p l i c a t i o n s ．I nt h ep r e s e n ts t u d y ，a3 Df i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nh a sb e e n c a r r i e do u tt op r e d i c tt h eh e a ti n s u l a t i o nb e h a v i o ro ft h e6 ％～8 ％y i t t r i ap a r t i a l l ys t a b i l i z e dz i r c o n i ac o a t i n g sb a s e do nat w o l a y e rm o d e l ．F u r t h e r m o r e ，s u c hf a c t o r sa st h eh e a tt r a n s f e rm o d e ，t h et h i c k n e s so ft h e c o a t i n g ，p r o p e r t i e so ft h ec o a t i n ga sw e l la st h em i c r o s t r u c t u r eo ft h ec o a t i n gh a v eb e e nn u m e r i c a l l yi n v e s t i g a t e d ．T h es i g n i f i c a n c eo ft h ef i n d i n gi sa l s od i s c u s s e d ． K e y w o r d s T h e r m a lb a r r i e rc o a t i n g s T B C s ；T h e r m a ls p r a y i n g ；H e a ti n s u l a t i o nb e h a v i o r ；F i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o n 中图分类号T G l 7 4 ．4 文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 8 S 0 0 0 8 5 - - 0 4 T h e r m a ls p r a y i n gi sap o p u l a rp r o c e s st oi m p a c tt h ec o a t i n gm a t e r i a l s p a r t i c l e s ，w i r e sa n d r o d s w h i c hi Sf i r s tm e l t e do rs e m i m e l t e db yt h e h e a ts o u r c e s p l a s m a ，e l e c t r i cb e a m ，f l a m eo re c l e c t i ca r ce t c ． o n t oas u b s t r a t eS O a s t oa c h i e v e s o m ef u n c t i o n a lc o a t i n g s ．A sa ni m p o r t a n tk i n d0 f t h e r m a ls p r a yc o a t i n g s ，t h e r m a lb a r r i e rc o a t i n g s T B C s a r ea p p l i e dt op r o t e c tm e t a l l i cc o m p o n e n t s i ng a st u r b i n e so ra e r oe n g i n et oe x p o s eu n d e rt h e h i g ht e m p e r a t u r ec i r c u m s t a n c e ．U pt od a t e ，q u i t e af e wT B Cm a t e r i a l ss u c ha sA 1 20 3 ，Y 20 3p a r t i a l l y s t a b i l i z e dz i r c o n i a Y P S Z ，r a r ee a r t hz i r c o n a t e a n do x i d ew i t hp e r o v s k i t es t r u c t u r ee t c ．h a v eb e e n d e v e l o p e db e c a u s eo ft h e i rl O Wt h e r m a lc o n d u c t i v i t y ，h i g hs t a b i l i t ya n dh i g hm e l t i n gp o i n t ．A m o n g 作者简介刘富荣 1 9 7 0 一 ．女，博士，高级工程师． t h e m ，t h e6 ％～8 ％Y P S Zi sm o s tc o m m o n l yu s e d s i n c ei tg i v e sag o o dc o m b i n a t i o no fc o a t i n gp r o p e r t i e s ．I th a sr e p o r t e dt h a tt h eY P S Zc o a t i n ga b o u t 1 0 0 ～5 0 0 Ⅱmi nt h i c k n e s sm a d eb ya t m o s p h e r i c p l a s m as p r a y i n g A P S o re l e c t r o nb e a mp h y s i c a l v a p o u rd e p o s i t i o n E B - P V D t o g e t h e rw i t ham e t a l l i cb o n dc o a t u s u a l l yM C r A l Y ，M F e ，N i ， C o c a nc o r r e s p o n d i n g l yc r e a t ea ni s o l a t i o nt e m p e r a t u r eo fa b o u t5 0 ～2 0 0K L 川． C o n s i d e r a b l ei n v e s t i g a t i o n sh a v eb e e nc a r r i e d o u te x p e r i m e n t a l l ya n dt h e o r e t i c a l l ya b o u t t h e T B C si nt h ep r o c e s sa n dm a t e r i a l s E 2 ’4 ‘．I nt h er e c e n ty e a r ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t a t i o n a l s c i e n c e ，n u m e r i c a li n v e s t i g a t i o n s h a v ea t t r a c t e d m u c ha t t e n t i o nt Os i m u l a t e t h et h e r m a l s p r a y 万方数据 8 6 有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年增刊 p r o c e s s E 5 7 1 ．A n ds o m en u m e r i c a lm o d e l sh a v ea l s o b e e nb u i l tu pt os i m u l a t et h et h e r m o m e c h a n i c a l p r o p e r t i e so ft h et h e r m a ls p r a yc o a t i n g C 8 一引．I n s p i t eo ft h ee f f o r t sm a d e ，l e s sw o r kh a sb e e nd o n e o np r e d i c t i n gt h et h e r m a li n s u l a t i o nb e h a v i o ro ft h e c o a t i n g ．I nt h i sp a p e r ，a3 Df i n i t ee l e m e n tm o d e l h a sb e e nb u i l tu pt os i m u l a t et h et h e r m a lc o n d u c t i o no ft h eT B C s 。a n dt h ee f f e c t so ft h eh e a tt r a n s f e rm o d e l ，t h et h i c k n e s so ft h em a t r i xa n dc o a t i n g ， p r o p e r t i e so ft h ec o a t i n ga sw e l la st h em i c r o s t r u c t u r eo ft h ec o a t i n go nt h eh e a ti n s u l a t i o nb e h a v i o r o ft h eY P S Zc o a t i n g sa r ea l s os t u d i e d ． 1F i n i t ee l e m e n tm o d e l T h eh e a ti s o l a t i o nb e h a v i o ro ft h eT B C si se x a m i n e db yh e a tt r a n s f e rb e t w e e nt h ec o a t i n ga n d s u b s t r a t ew h i c hf o l l o w st h et h e r m a le q u i l i b r i u me q u a t i o nw r i t t e na s A 多 O 韭y z 舅 毒 ∥t 1 A { 爵仁一十虿P 。声1 u ， w h e r e 天i st h eh e a tc o n d u c t i v i t ya n d 运i st h e r a t eo fh e a tg e n e r a t i o nb yt h ec i r c u m s t a n c e ． At w o - l a y e rm o d e li st h e r e f o r ed e v e l o p e dt o d e t e r m i n et h ei s o l a t i o nt e m p e r a t u r eo ft h ec o a t i n g 。 F i g ．1s h o w s t h es c h e m a t i cd i a g r a mo ft h et w ol a y e rm o d e l ．W h e r et h eu p p e rl a y e ri st h ec o a t i n ga n d t h el o w e rl a y e ri st h es u b s t r a t em a t e r i a l ．I ti sa s s u m e dt h a tt h et e m p e r a t u r ei sf i x e do nt h eu p p e r s u r f a c eo ft h ec o a t i n g T I a n db o t t o ms u r f a c eo f t h es u b s t r a t e T O ，a n dt h e r earen ol a t e r a lh e a t e x c h a n g eo c c u r r e db e t w e e nt h ec o a t i n ga n di t ss u r - r o u n d i n g ．A f t e rh e a tf l o wr e a c h e se q u i l i b r i u m ， t h e r ei saf i x e dt e m p e r a t u r e T a tt h eb o t t o mo f t h ec o a t i n g ，w h i c hc a nb es o l v e db yt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l ．T h ei n s u l a t i o nt e m p e r a t u r eo ft h e c o a t i n gi st h e r e f o r ed e t e r m i n e db yt h ef o l l o w i n ge q u a t i o n 矗T T 1 ～T 2 I np r e s e n ts t u d y ，t h et e m p e r a t u r eo f8 7 3Ki s p r e s c r i b e df o rT 1 ，a n dr o o mt e m p e r a t u r ei sa p p l i e d f o rT O ． T h et e m p e r a t u r e - d e p e n d a n tt h e r m a lc o n d u c t i v i t yo ft h ec o a t i n gm a t e r i a l Y P S Z a r ef r o m R e f ．[ 1 ．A n dt h es p e c i f i ch e a ta n dd e n s i t yo ft h e 7 ％Y 2 0 3 一Z r 0 2c e r a m i caref r o mR e f ．[ 1 1 ] ．T h es u b s t r a t eu s e di nt h i sp a p e ri sl o wc a r b o ns t e e lw i t h t h et h i c k n e s so f 1 0m m ，a n di t sc o r r e s p o n d i n g p r o p e r t i e sc o m ef r o mR e f 。[ 12 | ． 2 A n a l y s i sa n dd i s c u s s i o n s 2 ．1 E f f e c to ft h eh e a tt r a n s f e rm o d e T w ok i n d so ft h eh e a tt r a n s f e rc o n d i t i o n sh a v e b e e ns t u d i e di nt h i sp a p e r ，n a m e l y ，s t e a d ya n da n s t e a d ys t a t e s ．I nt h ef i r s tc a s e ，a ss h o w ni nF i g ．1 ， t h et e m p e r a t u r e sa tt h et o ps u r f a c eo ft h ec o a t i n g a n dt h eb o t t o ms u r f a c eo ft h es u b s t r a t ea r ef i x e d w i t ht h et e m p e r a t u r eo ft h et o pS U r f a c eo f 8 73K a n dt h a to ft h eb o t t o ms u r f a c eo fr o o mt e m p e r a t u r e d u r i n gt h ew h o l eh e a tt r a n s f e rp r o c e s s ．W h i l ef o r t h es e c o n d c a s e ，t h ei n i t i a lc o n d i t i o ni st h a tt h e t e m p e r a t u r eo fa l lt h en o d e sw i t h i nt h et w ol a y e r s a r er o o mt e m p e r a t u r e ．T h e nah e a ts o u r c ei sa d d e d t ot h et o ps u r f a c eo ft h ec o a t i n g ．A sar e s u l t ，t h e h e a tt r a n s f e rw i l lb ep r o c e s s e dw i t ht h et e m p e r a t u r ec h a n g e sw i t h i nt h ec o a t i n ga n dt h es u b s t r a t e b e c a u s eo ft h ee x i s t e dt e m p e r a t u r eg r a d i e n t ． F i g 。1S c h e m a t i cd i a g r a mo ft h eh e a tt r a n s f e r t h r o u g ht h et w o - l a y e rm o d e l ． F i g ．2s h o w st h et e m p e r a t u r ev a r i a t i o n sa tt h e t o pa n db o t t o mo ft h ec o a t i n gu n d e rt h et w oh e a t t r a n s f e rm o d e s 。T h et e m p e r a t u r ei so b t a i n e db y a v e r a g i n gt h et o t a lt e m p e r a t u r ew i t h i nt h en o d e sa t t h eb o t t o mo ft h ec o a t i n g ．A sc o m p a r e dw i t ht h e s t e a d y - s t a t eh e a tt r a n s f e r ，t h et i m et or e a c he q u i l i b r i u mf o ru n s t e a d y - s t a t eh e a tt r a n s f e ri se x t e n d e d f r o m2 0st o6 0s ．A f t e rt h a t ，t h et e m p e r a t u r e so f t h eb o t t o ms u r f a c eo ft h ec o a t i n ga tb o t ht h ec o n d i 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年增刊 8 7 t i o n sr e a c hh e a te q u i l i b r i u m 。F o rt h es t e a d y - s t a t e h e a tt r a n s f e r ，t h e r ei sai s o l a t i o nt e m p e r a t u r eo fa b o u t1 9 7Kp r o d u c e db yt h ec o a t i n g ．W h i l ef o rt h e s e c o n dc a s e ，n oi s o l a t i o nt e m p e r a t u r eh a sb e e n f o u n d 。C o n s e q u e n t l y ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt ok n o w a s t e a d y - s t a t eh e a tt r a n s f e rw i t h i nt h ec o a t i , , ．J 一⋯●．”’●⋯⋯● -●-- ⋯”- ．，。 ．{ ’j_ ．- T o ps u r f a c eo ft h ec o a t i n g ． 一⋯B o t t o ms u r f a c eo ft h ec o a t i n g | ．．． O2 0 4 0 ∞ l } D l o o T i 獬／s t h eh e a tt r a n s f e rm o d ef i r s ta s t or e a s o n a h l yj u d g e t h eh e a ti n s u l a t i o nb e h a v i o ro ft h ec o a t i n g 。A n d t h eu n s t e a d y - s t a t eh e a tt r a n s f e ri su s e df o rt h ef o l - l o w i n gs e c t i o n sf o rt h ei n v e s t i g a t i o n s ． T i m ／s 脚2C c 啊p a r i s mo ft h ec h a n g e so ft h et e m l x r a t u r ei l tb e t 黼mt h et o pa n t ib o t t o mo ft h ee o a t i n g u n d e rt h et w oh e a tt r a n s f e rm o d e sw i t ht h et h i c k n e s so ft h ec o a t i n go f0 ．3 r a m 2 ．2 E f f e c to ft h et h i c k n e s so ft h ec o a t i n gY P S Zu n d e rt h es a m et h i c k n e s so ft h ec o a t i n go f0 ． F i g 。3g i v e st h ee f f e c to ft h et h i c k n e s so ft h e c o a t i n go nt h ei n s u l a t i o nt e m p e r a t u r eo ft h eT B C s ． I tc l e a r l ys h o w st h a tt h ei n s u l a t i o nt e m p e r a t u r ei n - c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo ft h et h i c k n e s so ft h e c o a t i n g 。W h e nt h et h i c k n e s so ft h ec o a t i n gr e a c h e s 1 ．0 m m ，t h ei s o l a t i o nt e m p e r a t u r ec o u l db eu pt O m o r et h a n3 5 0Ka l t h o u g ht h et r e n do ft h ei n c r e a s e i ni s o l a t i o nt e m p e r a t u r ei sg r a d u a l l yd e c r e a s e d ． 髦 岂 董 岂 g 譬 鬈 薯 暑 誓 T h i c k n e s so f t h ec o a t i n g ／r a m №3E f f e c to ft h et h i c k n e s so ft h ee o a t m g 鳓t h e i s o l a t i o nt e m p e r a t u r eo ft h eT B C s 2 。3E f f e c to ft h em a t e r i a l so ft h ec o a t i n g I no r d e rt Oi n v e s t i g a t et h ee f f e c to ft h ep r o p e r t i e so ft h ec o a t i n g ，t w ok i n d so fT B Cm a t e r i a l s h a v eb e e nc o m p a r e d ．F i g ．4s h o w st h ei n s u l a t i o n t e m p e r a t u r e sb e t w e e nt h eL a 2Z r 20 7 L Z a n dt h e 3m m ．A n dt h ep r o p e r t i e so ft h eL a 2Z r 20 7m a t e r i a l sa r ef r o mR e f ．【l l j ．I ti Sf o u n dt h a ta2 0Kh i g h e r i n s u l a t i o nt e m p e r a t u r ea sc o m p a r e dw i t hY P S Z c o a t i n g ．I ts h o w st h a tt h ed i s c r e p a n c yb e t w e e n t h e mi sn o ts oe x t i n c ta sc o m p a r e dw i t ho t h e rf a c - t o r s ，f o re x a m p l e ，t h et h i c k n e s so ft h ec o a t i n g 。 T i m e ／s r i g , 4V a r i a t i o no ft h et e m 雕a t u r e 碍t i m e 斌t h eo m t e r o ft h ei n t e r f a c eb e t w e e nt h eT B C sa n ds u b s t r a t e 2 ．4E f f e c to ft h em i c r o s t r u e t u r eo ft h ec o a t i n g S i n c et h ec o a t i n gc h a r a c t e r i z e db yt h es p e c i f i c i n t e r l a m e l l a rf e a t u r e ss u c ha si n t e r l a m e l l a rp o r e s ， v o i d sa n dm i c r o c r a c k s ，w h i c hf e a t u r e sd r a m a t i c a l l y l i m i tt h ec o a t i n gi ns e r v i c ep e r f o r m a n c e s ，t h ee f f e c t o ft h em i c r o s t r u c t u r es u c ha sd i s t r i b u t i o n ，v o l u m e ⅣaJ暑墨莲垂芒 蓬譬tI藿苤g芒 酬 似 | | 薹 僦 似 删 默 姒 l，a|n等矗A暑Q卜 万方数据 8 8 有色金属 冶炼部分2 0 0 8 年增刊 f r a c t i o no fp o r e s ，u n m e l t e dp a r t i c l e sa sw e l la st h e m i c r o c r a c k sh a sa l s ob e e ns t u d i e db yt h ea u t h o r s ， a n dt h ei m p o r t a n tr e s u l t sh a v er e p o r t e di nt h e i r p r e v i o u sp a p e r E l 副．I th a sb e e nf o u n dt h a ta m o n g t h em i e r o s t r u c t u r e ，t h ev o l u m ef r a c t i o no fp o r e s h a sas i g n i f i c a n te f f e c to nt h ei n s u l a t i o nb e h a v i o ro f t h ec o a t i n ga sc o m p a r e dw i t ho t h e rf a c t o r s ．F i g ．5 p r e s e n t st h ec h a n g eo ft h ei s o l a t i o nt e m p e r a t u r eo f t h ec o a t i n gw i t hd i f f e r e n tv o l u m ef r a c t i o n so f p o r e s ．I ts h o w st h a tt h ei s o l a t i o nt e m p e r a t u r eo f t h eY P S Zc o a t i n gi n c r e a s e sq u i c k l yw i t ht h ei n - c r e a s eo ft h ev o l u m ef r a c t i o n so fp o r e s ．A n dw h e n t h ep o r o s i t yo ft h ec o a t i n gr e a c h e s5 0 ％，t h ei s o l a t i o nt e m p e r a t u r ei su pt on e a r l y2 8 0K ． V o l u m ef r a c t i o no fp o r e s 隐5E f f e c t 西v o l m mf r a c t i o n0 fp o r e s ∞t h e i s o l a t i o nt e m p e r a t u r eo ft h ec o a t i n g 3C o n c l u s i o n s A3 Df i n i t ee l e m e n tm o d e lw a ss u c c e s s f u l l y d e v e l o p e dt oi n v e s t i g a t et h eh e a ti n s u l a t i o nb e h a v i o ro ft h et h e r m a ls p r a yc o a t i n g ．T h eh e a tt r a n s f e r m o d ea f f e c t st h ei s o l a t i o nt e m p e r a t u r eo ft h ec o a t i n g ．I ti sf o u n dt h a tt h e t h ec o a t i n gi ss i g n i f i c a n t i s o l a t i o nt e m p e r a t u r eo f u n d e rt h eu n s t e a d y s t a t e h e a tt r a n s f e rm o d e ，w h i l ef o rt h es t e a d y - s t a t eh e a t