热障涂层(TBC)广泛用于燃气涡轮发动机，以获得更高的工作温度并提高发动机效率。陶瓷层的相变伴随着较大的体积差，造成热应力集中，最终导致热障涂层脱落失效。因此，有必要定量评估陶瓷层中相变引起的热应力的大小和分布。

由中国昆明理工大学冲晓宇教授领导的材料科学家团队最近建立了一种热障涂层热应力的高通量多尺度评估方法，该方法通过耦合第一层考虑顶级陶瓷材料的相变。有限元模拟的原理计算。

该方法通过多场耦合对热循环下真实TBC结构的热应力进行定量评估和可视化，可为涂层材料的寿命预测和逆向设计提供重要的理论依据和指导。

“在这份报告中，我们开发了一种多层系统热应力的高通量多尺度评估方法，该方法通过将第一性原理计算与有限元模拟相结合来考虑顶级陶瓷材料的相变。这种方法可以定量评估和可视化基于真实结构的TBC热应力，考虑到热循环的实际使用环境，”昆明理工大学材料科学与工程学院教授Chong说，他的研究兴趣集中在高通量多尺度计算和机器学习领域。

“有限元模拟中热物理性质的输入是通过第一性原理计算来计算的，其中多尺度方法可以考虑相变和温度的影响，同时减少通过实验获得热物理性质的成本和时间，”他继续说道。

直接观察陶瓷涂层的相变过程具有挑战性。热应力作为涂层失效的主要原因之一，缺乏定量的测试和表征方法，而高温的使用环境也增加了相变热应力测试的难度。

“有限元模拟与多个物理场相结合，可以可视化并定量评估热障涂层的热应力。然而，有限元模拟所需的热物理性质是通过实验测量得出的，忽略了相变和温度的影响。”甘梦迪说。，论文第一作者，博士。庄教授指导的学生。

在这项研究中，研究人员开发了一种多层系统热应力的高通量多尺度评估方法，该方法通过将第一原理计算与有限元模拟相结合来考虑顶级陶瓷材料的相变。

该方法可以基于真实结构，考虑到热循环的实际使用环境，定量评估和可视化热障涂层中的热应力。有限元模拟中输入的热物理性质通过第一性原理计算进行计算，其中多尺度方法可以考虑相变和温度的影响，同时减少通过实验获得热物理性质的成本和时间。

在这项工作中，稀土钽铁矿(RETaO4)被引入作为陶瓷层，结果表明热应力在相变温度附近经历快速上升，特别是在TBCs_GdTaO4系统中。热应力的这种不连续性可能源于相变温度附近杨氏模量和热导率的巨大变化。

TBCs_NdTaO4和TBCs_SmTaO4体系表现出显着的温降梯度和最小的热应力波动，这有利于延长TBC的使用寿命。该方法有助于预测失效机制，并为热障涂层材料的逆向设计以获得低热应力系统提供理论指导。

其他贡献者包括来自中国昆明科技大学材料科学与工程学院的MengdiGan、TianlongLu、WeiYu、JingFeng。

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