基于格林函数的热障涂层结构热力耦合场分析

doi:10.7527/S1000-6893.2025.31764

材料工程与机械制造

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基于格林函数的热障涂层结构热力耦合场分析

李秋华¹^,²()

^1.国防科技大学空天科学学院，长沙 410073
^2.天地往返高效运输技术全国重点实验室，长沙 410073

收稿日期:2025-01-03 修回日期:2025-04-01 接受日期:2025-05-12 出版日期:2025-06-05 发布日期:2025-05-27
通讯作者: 李秋华 E-mail:liqiuhua@nudt.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(12302028);中国博士后科学基金(2023M744327);湖南省自然科学基金(2024JJ5401)

Thermal coupling field analysis of thermal barrier coating structure based on Green’s function

Qiuhua LI¹^,²()

^1.College of Aerospace Science and Engineering，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China
^2.State Key Laboratory of High-Efficiency Reusable Aerospace Transportation Technology，Changsha 410073，China

Received:2025-01-03 Revised:2025-04-01 Accepted:2025-05-12 Online:2025-06-05 Published:2025-05-27
Contact: Qiuhua LI E-mail:liqiuhua@nudt.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(12302028);China Postdoctoral Science Foundation(2023M744327);Natural Science Foundation of Hunan Province(2024JJ5401)

摘要/Abstract

摘要：

热障涂层是保障高性能航空发动机涡轮叶片、火箭发动机推力室壁等高端装备在极端高温环境服役的核心技术之一。由于热障涂层界面场的复杂性和不连续性，其结构热力耦合场的精细表征是目前热障涂层性能评估的核心挑战。针对传统数值方法在界面非连续场分析中存在收敛性差、效率低等瓶颈问题，创新性地提出一种基于格林函数理论的热障涂层结构热力耦合场的精细解析计算方法。基于材料通解，构造含待定常数的简洁调和函数，将其代入通解，由边界条件、界面连续条件、热力平衡条件确定待定常数，获得了具有严格数学表征的普适性热涂层结构热弹性全场解析解。基于全场解析解，设计详细的数值实验，探讨了该方法的有效性、高效性，并系统地开展了涂层厚度、热膨胀失配效应等参数敏感性分析，揭示了涂层厚度和热参数失配对界面应力场的影响规律。研究为热障涂层结构的精细设计和界面失效机制研究提供了新的理论方法。

关键词: 热障涂层, 双涂层, 热应力, 格林函数, 横观各向同性

Abstract:

Thermal Barrier Coatings （TBCs） are one of the core technologies that ensure the service of high-performance aero-engine turbine blades， rocket engines thrust chamber walls， and other advanced equipment in extreme high-temperature environments. However， accurately calculating the structural thermo-mechanical coupled field remains a core challenge due to the interface complexity and discontinuity in TBCs. To address the bottle-neck problems such as poor convergence and low efficiency existing in the analysis of interface discontinuous fields by traditional numerical methods， we propose a refined calculation method for the thermo-mechanical coupled field of TBC structures based on the Green’s function theory. Utilizing the general solution of the material， a concise harmonic function containing undetermined constants is constructed and substituted into the general solution. The undetermined constants are determined by boundary conditions， interface conditions， and thermo-mechanical equilibrium conditions， yielding a comprehensive analytical solution for the thermo-elasticity of TBC structures. Based on the solution， the sensitivity analyses of parameters such as coating thick-ness and thermal expansion mismatch effect were systematically carried out， revealing the influence laws of coating thickness and thermal parameter mismatch on the interfacial stress field. This study provides a theoretical foundation for the precise design of TBC structures and for investigating interface failure mechanisms.

Key words: thermal barrier coatings, double-layer coating, thermal stress, Green’s function, transversely iso-tropic

中图分类号:

V259

李秋华. 基于格林函数的热障涂层结构热力耦合场分析[J]. 航空学报, 2025, 46(22): 431764.

Qiuhua LI. Thermal coupling field analysis of thermal barrier coating structure based on Green’s function[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(22): 431764.

图/表 10

图 1

图 2

表 1

热障涂层体系材料参数

材料属性	基体	黏结层	热障涂层
$E z$ /GPa	211	200	60
$ν$	0.33	0.30	0.26
$α$ /（10^-6 ℃^-1）	14.8	13.6	10.4
$β$ / （W·m^-1·℃^-1）	21	16.2	4.53

表 1

图 3

图 4

图 5

图 6

图 7

图 8

图 9

参考文献 37

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