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可控孔结构热障涂层制备及其热学与力学性能分析

热障涂层,结构优化,大气等离子喷涂,有限元模拟

孔隙结构是影响多孔热障涂层（TBCs）性能的重要因素。然而，传统的大气等离子喷涂较难控制涂层内部孔隙的几何特征和分布。本研究通过在等离子喷涂过程中同步输送多孔微米团聚结构陶瓷粉末，制备了一种多孔TBCs，其涂层结构中包含多孔嵌入粒子团簇（PEPC）和致密基体。同时，通过调整喷涂参数来控制PEPC的几何特性，从而获得可控的孔隙结构，并采用图像处理技术结合数理统计分析研究了PEPC形貌与沉积参数之间的关系。通过实验和有限元模拟，阐明了孔隙结构对TBC热导率及弹性模量的影响。结果表明，本研究中获得的TBC的孔隙率在10.35%至18.33%之间，PEPC面积分数为0%至14.22%。随着多孔微米团聚结构陶瓷粉末进料速率和等离子喷枪移速的增加、光栅扫描步长的减小，涂层中PEPC逐渐从弥散分布的小尺寸类圆形结构转变为横向层状排布的大尺寸梭形结构。模拟结果表明，横向层状排布的大尺寸梭形PEPC结构可以提高TBC的隔热能力，并增加涂层的弹性模量。