Un team di scienziati dei materiali guidato dal Prof. Xiaoyu Chong dell'Università di Scienza e Tecnologia di Kunming, in Cina, ha recentemente stabilito un metodo di valutazione multiscala ad alto rendimento per lo stress termico nei TBC che considera la transizione di fase dei materiali ceramici superiori accoppiando prima- calcoli di principi con simulazioni agli elementi finiti.

Il metodo valuta e visualizza quantitativamente lo stress termico della struttura reale dei TBC sottoposti a cicli termici mediante accoppiamento multicampo, che può fornire un'importante base teorica e una guida per la previsione della vita e la progettazione inversa dei materiali di rivestimento.

Il team ha pubblicato il proprio lavoro nel Journal of Advanced Ceramics .

"In questo rapporto, sviluppiamo un metodo di valutazione multiscala ad alto rendimento per lo stress termico in sistemi multistrato, che considera la transizione di fase dei materiali ceramici superiori accoppiando calcoli di principi primi con simulazioni di elementi finiti. Questo approccio può valutare e visualizzare quantitativamente il stress termico nei TBC basati su strutture reali, considerando l'effettivo ambiente di servizio soggetto a cicli termici", ha affermato Chong, professore presso la Facoltà di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso l'Università di Scienza e Tecnologia di Kunming (Cina), i cui interessi di ricerca si concentrano sullo campo dell'elaborazione multiscala ad alto rendimento e dell'apprendimento automatico.

"Gli input delle proprietà termofisiche nelle simulazioni agli elementi finiti sono calcolati mediante calcoli di principi primi, in cui il metodo multiscala può considerare l'influenza della transizione di fase e della temperatura e contemporaneamente ridurre i costi e i tempi per ottenere proprietà termofisiche mediante esperimenti", ha continuato.

È difficile osservare direttamente il processo di trasformazione di fase del rivestimento ceramico. Essendo uno dei motivi principali del cedimento del rivestimento, lo stress termico è soggetto alla mancanza di test quantitativi e metodi di caratterizzazione, e l'ambiente di servizio ad alta temperatura aumenta anche la difficoltà dei test di stress termico con trasformazione di fase.

"Le simulazioni agli elementi finiti abbinate a molteplici campi fisici possono visualizzare e valutare quantitativamente lo stress termico dei TBC. Tuttavia, le proprietà termofisiche richieste per le simulazioni agli elementi finiti derivano da misurazioni sperimentali, che ignorano gli effetti della transizione di fase e della temperatura", ha affermato Mengdi Gan , il primo autore dell'articolo e un dottorato di ricerca. studente supervisionato dal Prof. Chong.

Nello studio, i ricercatori sviluppano un metodo di valutazione multiscala ad alto rendimento per lo stress termico nei sistemi multistrato, che considera la transizione di fase dei materiali ceramici superiori accoppiando calcoli di principi primi con simulazioni di elementi finiti.

Questo approccio può valutare e visualizzare quantitativamente lo stress termico nei TBC sulla base di strutture reali, considerando l'effettivo ambiente di servizio soggetto a cicli termici. Le proprietà termofisiche immesse nelle simulazioni agli elementi finiti vengono calcolate mediante calcoli di principi primi, in cui il metodo multiscala può considerare l'influenza della transizione di fase e della temperatura e contemporaneamente ridurre i costi e i tempi per ottenere proprietà termofisiche mediante esperimenti.

In questo lavoro, i tantaliti delle terre rare (RETaO₄ ) vengono introdotti come strati ceramici e i risultati dimostrano che lo stress termico subisce una rapida escalation vicino alla temperatura di transizione di fase, in particolare nei TBCs_GdTaO₄ sistema. Questa discontinuità nello stress termico può avere origine dalle grandi alterazioni del modulo di Young e della conduttività termica vicino alla temperatura di transizione di fase.

I TBCs_NdTaO₄ e TBCs_SmTaO₄ i sistemi mostrano gradienti di caduta di temperatura degni di nota e fluttuazioni minime di stress termico, che sono utili per prolungare la durata di servizio dei TBC. Questo approccio facilita la previsione dei meccanismi di guasto e fornisce una guida teorica per la progettazione inversa dei materiali TBC per ottenere sistemi a basso stress termico.

Altri contributori includono Mengdi Gan, Tianlong Lu, Wei Yu, Jing Feng della Facoltà di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso l'Università di Scienza e Tecnologia di Kunming a Kunming, Cina.