稳态热载荷作用下热障涂层结构界面断裂研究

针对陶瓷层与黏结层构成的双层热障涂层结构存在单边界面裂纹的情况,利用虚拟裂纹闭合技术(VCCT)计算了稳态热载荷作用下结构的能量释放率,根据计算结果研究了单边界面裂纹的扩展行为.给定结构的温度边界条件求解得到稳定温度场,并以此作为结构的热载荷,计算能量释放率时采用随温度变化的材料参数.计算结果显示,在给定条件下,界面裂纹起裂后结构总的能量释放率大于界面断裂韧度,裂纹将进行失稳扩展;在裂纹扩展至接近自由端面时总能量释放率迅速减小并降到界面断裂韧度以下,裂纹不扩展.分析表明,处于高温稳态热载荷条件下的热障涂层系统,不会发生陶瓷层彻底剥落的失效现象.      

等离子涂层热疲劳失效模式及失效机理研究

开展了等离子涂层构件热疲劳实验研究,对失效过程及失效模式进行考察,分析了对失效起主导作用的应力分量.针对陶瓷层材料引入粘塑性本构模型,对涂层的热疲劳进行数值模拟研究.分析表明,氧化层厚度为2 μm时,陶瓷层波峰位置容易萌生Ⅰ型横向裂纹,界面中部偏上位置容易萌生Ⅱ型横向裂纹;氧化层厚度为8 μm时,陶瓷层内部法向应力主导横向裂纹的扩展;不同厚度的氧化层内部将形成较高的应变能密度.给出了等离子涂层内部裂纹形成过程及机理.      

热载荷下热障涂层表面裂纹-界面裂纹的相互作用

针对热障涂层在热循环载荷下陶瓷层表面和氧化层/黏结层界面形成裂纹而导致涂层失效的问题,采用扩展有限元和内聚力单元建立陶瓷层表面裂纹与氧化层/黏结层界面裂纹相互作用的有限元模型,得到不同裂纹附近应力分布和开裂程度,分析了这2种裂纹之间的相互影响,结果表明:表面裂纹对界面裂纹影响较大,而界面裂纹对表面裂纹影响较小;氧化层几何参数以及材料参数对2种裂纹演变的影响研究结果表明:氧化层正弦幅值和厚度主要影响界面裂纹,在热载荷下,氧化层越粗糙,界面裂纹扩展速度越快。黏结层弹性模量主要影响界面裂纹扩展程度,而陶瓷层弹性模量主要影响表面裂纹扩展程度,对界面裂纹间接地产生较大影响。     

交流阻抗谱法评价热障涂层的热腐蚀行为(英文)

本文利用交流阻抗这种无损检测的方法研究了热障涂层在质量分数为25%NaCl+75%Na2SO4混合盐体系中的热腐蚀行为。实验结果显示,热腐蚀条件下,在陶瓷层和粘结层界面处形成TGO层为混合氧化物层,成分为Cr2O3、(Ni,Co)(Cr,Al)2O4和NiO,其厚度增长符合抛物线规律。热障涂层在110个循环腐蚀之前时,TGO层的电阻值随其厚度的增加而增加;110个循环后,虽然TGO层的厚度还是在增加,但由于TGO层孔隙的增多而导致其电阻值有所下降。陶瓷层的电阻值随着陶瓷层中裂纹的萌生和扩展而不断增大。等效电路中得到的参数可以用来表征热障涂层的失效行为。     

热载荷下热障涂层表-界面裂纹间的相互影响

针对高温热载荷条件下APS制热障涂层裂纹失效问题，基于涂层系统热弹、热弹塑性本构关系，考虑陶瓷层/氧化层/粘结层界面凹凸形貌，依据表、界面裂纹位置、性质不同，分别运用断裂力学和损伤力学理论建立裂纹演化模型，结合围线积分和内聚力单元法，分析了热载荷下表、界面裂纹断裂参量及开裂状态，研究了陶瓷层表面裂纹与粘结层/氧化层界面裂纹间的相互影响，揭示了热、力、化多场耦合下的裂纹失效机理。结果表明，表面裂纹大幅改变界面微区域的应力分布状态，靠近界面时能使界面裂纹扩展程度整体增加20%，且相邻凸峰处开裂非均匀性可达81%，表面裂纹断裂参量主要受多层结构热失配及缺陷主导，界面裂纹对其影响相对较小，分析结果与试验结果一致。      

电子束物理气相沉积LaZrCeO热障涂层微结构与热循环性能

热障涂层(thermal barrier coatings,TBCs)是一种由金属黏结层、热生长氧化物层和陶瓷面层组成的金属-陶瓷复合系统,在先进的航空发动机领域上引起了广泛的关注,但目前先进热障涂层的热循环寿命提升和失效行为研究仍然是一个难点。本研究采用电子束物理气相沉积技术(electron beam physical vapour deposition,EB-PVD)制备LaZrCeO/YSZ双陶瓷层热障涂层,研究热障涂层的相结构、显微组织和失效行为。结果表明:LaZrCeO/YSZ涂层为烧绿石与萤石结构组成的复合涂层材料,LaZrCeO/YSZ涂层的微观结构由羽毛状纳米结构和柱内孔隙组成;在1100℃热循环条件下,LaZrCeO/YSZ双陶瓷层热障涂层展现了良好的热循环寿命;热循环实验后,由于应力累积的作用裂纹在热生长氧化层(TGO)中萌生并扩展,包括水平裂纹和垂直裂纹两大类,进而引起整个涂层体系的不稳定,最终导致涂层失效。     

孔隙对热障涂层微压痕响应影响的数值模拟

微纳米压痕技术是表征陶瓷涂层系统力学性能和弹塑性响应行为的一项重要技术。通过Python二次开发在ABAQUS软件中建立含随机分布的圆形孔隙的热障涂层模型,研究孔隙对大气等离子法（APS）制备的热障涂层的微纳米压痕响应的影响,并在含随机圆形孔隙热障涂层模型的基础上,利用扩展有限元法（XFEM）模拟分析微纳米压痕试验过程中陶瓷层内的裂纹扩展,探究微裂纹和孔隙间的相互影响,以及涂层内裂纹萌生扩展的规律。模拟结果表明,孔隙的存在会在加载和卸载过程中释放一定的应力集中,从而改变涂层应力的分布特征;孔隙的存在会导致裂纹向孔隙的方向偏移扩展,并在一定程度上阻止裂纹扩展。将这些工作与微纳米压痕试验的试验数据联系起来,可以对热障涂层体系的力学性能进行有效预测。     

热老化对热障涂层界面力学性能影响及数值计算

针对热生长氧化物（TGO）对热障涂层系统寿命的影响问题,利用大气等离子喷涂（APS）制备氧化钇稳定氧化锆（YSZ）热障涂层,在1 100℃条件下,对热障涂层进行不同时间的热老化试验。采用扫描电镜（SEM）观察并分析涂层的微观形貌,并利用界面压痕法及Almen基片弯曲法分别测量其界面断裂韧性及涂层内部应力,系统研究了TGO对涂层性能的影响规律。与此同时,利用动态热力耦合扩展逐层/实体元（TM-XLW/SE）方法对该问题进行了数值研究,采用扩展逐层方法模拟陶瓷层（TC）/TGO和粘结层（BC）/TGO之间的行为,采用八节点实体单元来构建合金基体,根据热障涂层和基体连接区域的位移、温度协调和内力平衡条件,将热障涂层和基体相互耦合,分析了在热老化作用下TGO厚度演变对热障涂层力学性能的影响规律,将数值结果与试验结论进行了对比分析,为热障涂层失效分析提供更进一步的支撑和佐证。     

预热温度对热障涂层表面裂纹形成的影响

先进航空发动机与燃气轮机热端部件的服役温度不断提高，对热障涂层性能提出了越来越高的要求。在涂层中引入一定密度的周期分布表面裂纹，可以同时提升其隔热性能和服役寿命，是一种极具潜力的先进热障涂层技术。然而，目前关于这种涂层中表面裂纹形成的力学机制研究尚不充分。以等离子喷涂热障涂层表面裂纹的形成过程为对象，发展了考虑热应力的多层结构剪切滞后模型，推导了表面裂纹形成前陶瓷层内应力场与位移场的解析解，获得了不同预热温度下陶瓷层内平均应力、平均应变能密度及总应变能随涂层厚度的演变规律，发现：在表面裂纹形成前，陶瓷层内平均应力和平均应变能密度不随其厚度改变，而总应变能随其厚度线性增大，这说明陶瓷层内总应变能是衡量能否在涂层中形成表面裂纹的关键参量；在其他喷涂参数不变的情况下，预热温度越高，表面裂纹越容易形成。本文阐明了预热温度对表面裂纹形成的影响，为实现高热障和高应变容限热障涂层的可控制备提供了理论指导。     

高温氧化对EB-PVD热障涂层内部应力场分布影响的数值模拟

针对电子束物理气相沉积(EB-PVD)热障涂层(TBCs)复杂结构的特点,选用Walker黏塑性本构模型实现对其高温力学行为的准确描述.选择具有叶片曲率特征的圆管试样,并借鉴实际发动机载荷特征进行数值分析.重点考虑EB-PVD热障涂层界面的形状以及热生长氧化层(TGO)厚度变化对应力场的影响.计算结果表明,直线型界面对EB-PVD热障涂层结构的应力场改变不大,而余弦界面对EB-PVD热障涂层的应力场改变的幅度可达2倍之多;热生长氧化层的出现导致陶瓷层界面处的应力绝对值增加;无论是循环至最高温度1 050℃还是冷却到100℃时,界面波谷始终受径向压应力,此处不易形成损伤,而波峰处的应力比较大,且其应力状态是损伤容易形成的部位,可以认为是陶瓷层失效与破坏的危险点.     

基体曲率对热障涂层结合强度影响的无损检测研究

 针对复杂型面航空发动机涡轮叶片表面热障涂层(TBCs)的失效问题,采用交流阻抗谱(IS)法和洛氏硬度(RH)压痕法对比研究了制备在平板基体和曲率基体上,热障涂层在热循环过程中微观结构和界面结合强度的演变规律。交流阻抗谱法的结果表明:两种涂层试样的热生长氧化(TGO)层厚度及陶瓷层内裂纹数量均随着热循环时间增加而增长,但曲率试样的微观结构恶化速度更快;洛氏硬度压痕法的结果验证了经热循环后,曲率基体上热障涂层界面结合强度低于平板样品。     

热冲击环境下涂层/基底界面的微观形貌及元素扩散规律研究

针对热障涂层在高温环境中长期服役的需求,研究热障涂层在热冲击环境下涂层/基底界面形貌演变及元素扩散规律。通过自主搭建的石英灯加热平台对热障涂层进行热冲击试验。利用SEM和EDS对热冲击后涂层/基底界面的微观形貌及元素分布进行分析,利用Boltzmann-Matano扩散模型计算了涂层/基底界面Al元素的扩散系数。结果表明,沉积态的热障涂层中黏结层（BC）主要由β和γ相组成,并且在涂层/基底界面已经出现扩散区;随着热冲击试验的进行,Al元素快速消耗致使BC层和基底间Al元素浓度梯度转变,Al元素开始向外扩散,部分拓扑密堆（TCP）相中富集的难熔元素可以重新固溶到基底中,最终各元素在界面区的分布逐渐均匀;Al元素的扩散系数在热冲击试验开始前为正值,到600次热冲击循环后为负值,且扩散系数的最大值均出现在涂层/基底界面处,距离界面越大,扩散系数就越低。     

电子束物理气相沉积热障涂层陶瓷层微裂纹形成机理的研究

采用电子束物理气相沉积方法制备热障涂层，对其在热循环过程中陶瓷层产生的裂纹进行了观察。结果表明，陶瓷层中的裂纹起源于陶瓷层与金属粘结层的界面处，该处存在着不同于界面其他处的氧化物。应力计算结果表明，陶瓷层中产生的微裂纹不仅仅是陶瓷／金属界面间的热应力所致，还与产生的氧化物的种类有着密切的关系。     

等离子热障涂层失效机理的数值分析研究

针对带等离子喷涂热障陶瓷涂层的圆筒金属基体结构在典型热循环载荷作用条件下的力学响应进行了数值计算,基于陶瓷层中的应力结果对陶瓷层剥落失效机理展开了分析.计算时对陶瓷层材料分别按理想线弹性本构和黏塑性本构模型开展了模拟.分析发现,陶瓷层的界面(横向)开裂存在两种模式:在降温过程中,陶瓷层容易出现界面波峰处的Ⅰ型开裂与腰部位置处的Ⅱ型开裂;在升温过程中,陶瓷层容易发生垂直开裂使结构中出现陶瓷层/基体的界面端,界面端部严重的应力集中效应使陶瓷层容易在该处横向开裂形成界面处的边裂纹.      

在高温蠕变环境中的热障涂层失效行为

对电子束物理气相沉积(EB-PVD)制备的由NiCoCrAlY粘结层和YSZ(YttriaStabilizedZirconia)陶瓷层组成的双层结构热障涂层,采用标准高温蠕变试验方法,研究了在高温、恒定外载荷作用下热障涂层中各层的形貌变化及裂纹的萌生、扩展,并探讨了涂层的失效过程和机理。垂直于试样轴向的断面观察表明,涂层在外力作用下氧化200h后层间裂纹非常明显,但几乎不发生在热氧化层(TGO)内,而是发生在陶瓷层与TGO层、TGO与粘结层之间,尤其发生在TGO与陶瓷柱状晶之间的等轴晶处。这种层间裂纹是在拉伸应力作用下,合金基体和粘结层发生径向收缩,而陶瓷层和TGO层的应变容限无法满足径向收缩而产生的。     

TBC界面裂纹K因子的有限元求解方法

本文针对由陶瓷层和粘结层构成的热障涂层(TBC)双层材料结构,探讨了应用裂纹面位移数据及J积分计算分析陶瓷层/粘结层界面裂纹应力强度因子的有限元方法。考虑了拉伸及热应力两种载荷情况。在传热分析时,考虑了界面裂纹对传热的影响。对于这类双材料界面裂纹,应力强度因子是型和型裂纹复合的,它包括应力强度因子的模和相位角。根据所得的结果比较。      

界面形貌对热障涂层残余应力影响的三维有限元分析

采用有限元方法,建立了考虑界面形貌的热障涂层系统三维有限元模型,通过计算从高温冷却到室温时界面处的残余应力的变化,研究了界面形貌对热障涂层系统残余应力的影响。结果表明,氧化层（TGO）厚度不仅会影响残余应力大小,还会影响其应力状态,氧化层越厚,其残余应力水平越高;界面幅值增大会使黏结层（BC）–TGO界面残余应力增大,但其对陶瓷层（TC）–TGO界面处残余应力的影响较为复杂;增大界面波长会在一定程度上减小残余应力水平;三维混合粗糙度对残余应力的影响较小。因此,氧化层厚度、界面幅值和波长会较大程度上影响热障涂层的残余应力,进而影响热障涂层系统的稳定性,且氧化层厚度对涂层失效位置具有决定性意义。     

热障涂层二向应力状态分析与危险点预测

热障涂层剥落是航空发动机热端部件失效的主要形式，研究热冲击环境下涂层的失效机制对提升发动机使用寿命具有重要意义。基于二维轴对称有限元模型、二向应力状态分析方法、唯像学和累积损伤理论建立了热障涂层危险点位置预测方法，阐明了热障涂层在热冲击环境下的失效机制。研究表明随氧化层厚度增加，陶瓷层内部轴向应力与剪切应力的峰值点沿余弦曲线的波峰向波谷方向移动；与传统应力分析方法相比，二向应力状态分析法得到的轴向应力与剪切应力峰值位置更加接近，有利于危险位置预测；基于唯象学寿命预测模型与疲劳累积理论相结合的方法，进一步确定出危险点位置在陶瓷层波峰至波谷轴向距离的3/10处，与实际陶瓷层内开裂的位置基本吻合，验证了危险点预测方法的准确性。     

钛合金基体EB-PVD热障涂层的制备与初步研究

在TC11钛合金上制备两种以NiCoCrAlY为粘结层,8wt%Y2O3-ZrO2(YSZ)为陶瓷层的热障涂层,粘结层制备技术分别为电子束物理气相沉积(EB-PVD)和超音速火焰喷涂(HVOF),陶瓷层由EB-PVD同炉沉积.两种热障涂层的微结构、显微硬度及热循环测试表明,EB-PVD制备的粘结层均匀致密,上层YSZ组织细密,硬度较高,而HVOF获得的粘结层疏松不均,上层YSZ晶粒粗大,硬度较低;前者有较好的抗热冲击性能,裂纹较分散,防护性能较好,而后者易开裂剥落,裂纹密集,防护性能较差.     

射频磁控溅射沉积热障涂层结构特征及高温氧化性能

采用3kW射频电源在经真空电弧镀涂敷了NiCrAlY过渡层的涡轮和导向叶片上沉积 ZrO2陶瓷层,对其组织结构与元素面分布进行了电子探针测试.对NiCrAlY涂层进行喷丸形变处理,研究了不同时效温度下的应力变化.测试了热障涂层高温氧化与热冲击性能,结果表明,经1100℃静态氧化100h和热冲击500次陶瓷层未剥落.