热障涂层应力与失效机理若干关键问题的研究进展与评述

综述了热障涂层应力数值模拟类研究的现状。在此基础上,总结归纳了数值模拟类研究的三个关键性问题:热生长氧化物、材料非线性特性、涂层应力状态与失效机理的内在联系。分别探讨了热生长氧化物的生成对于涂层系统内部应力以及失效模式的影响;涂层蠕变特性对于涂层系统内应力的缓解机制;对比分析了APS/EB-PVD两种不同制备方法所制备的热障涂层的失效模式,总结归纳了涂层系统应力状态与其失效机理的内在联系。最后,探讨了当前传统8YSZ热障涂层的发展瓶颈,明确了未来热障涂层的发展将落在探索新型低热导率隔热材料、探索合理的热障涂层体系两个方面。着重介绍了新型双陶瓷层热障涂层,总结了双陶瓷层热障涂层几个重要的研究问题。对于研究新型热障涂层的应力状态及其失效行为、优化涂层结构,有限元数值模拟仍是一种重要的研究手段。     

可磨耗封严涂层的冲蚀磨损特性及模型

抗冲蚀性是可磨耗封严涂层最重要的性能。在自制的真空自由落砂试样旋转式冲蚀磨损试验机上对几种中温封严涂层的冲蚀磨损特性及机理进行了研究。实验结果表明,冲蚀失重与冲蚀时间具有良好的线性关系;在60°时冲蚀率最大;冲蚀率与冲蚀速度有幂函数关系,速度指数随冲蚀角度增大而增大;90°冲蚀时,涂层的冲蚀机理为冲击粒子在涂层表面冲击挤压,产生凹坑和凹坑边缘凸起的唇片,随后的冲蚀使唇片流失;粒子的不断冲击使表层金属相松动,导致呈颗粒状剥落。30°冲蚀时涂层的冲蚀机理为切削、犁削并有孔洞、非金属相贯通效应。在此基础上提出了封严涂层的冲蚀磨损模型。     

热障涂层失效行为及其修复再制造研究进展

热障涂层（TBCs）技术是降低燃气轮机热端部件表面温度、防止高温腐蚀、实现更高推重比的有效途径,但如果涂层失效,将会影响航空发动机使用的安全性。本文首先介绍了 TBCs 的成分结构,其次总结了冲蚀与外物损伤、烧结氧化、腐蚀三种常见的热障涂层破坏形式,然后阐述了国内外现阶段对破损或失效涂层的修复及再制造方法,最后针对如何抑制裂纹形成和扩展,提高热障涂层可靠性的问题进行了展望。     

梯度热障涂层的设计和性能与失效研究

介绍了梯度热障涂层的表层、底层及梯度过渡层材料的选用和设计原则,对梯度热障涂层的抗热震性能、抗氧化性能和力学性能的研究成果作了综述，探讨了梯度热障涂层的失效机理，并指出了需进一步研究的问题。     

长寿命热障涂层的剥落机理及抗剥落结构设计

涂覆于高温合金热端部件表面的热障涂层,具有隔热防护作用,属新一代燃气轮机的关键核心技术。等离子喷涂制备的热障涂层隔热性能好,但长时间高温服役后存在开裂剥落问题,引发基体烧蚀、造成巨大经济损失。因此,发展长寿命热障涂层是该技术领域的重大难题。本文从等离子喷涂热障涂层的独特层状结构特征入手,阐述涂层在高温服役中结构和性能的演变规律,揭示涂层剥落失效机理,总结长寿命热障涂层设计方法。研究表明,等离子喷涂热障涂层呈现以连通2D孔隙为主的层状多孔结构,具有优异的隔热功能和协调应变能力。然而,涂层在高温服役中发生烧结,2D孔隙大量消失,涂层显著刚化,使热障涂层开裂驱动力急剧增加,引发微观裂纹扩展并贯通形成大尺度裂纹,导致涂层最终剥落失效。据此,分别从降低开裂驱动力和增加开裂阻力两方面着手,总结抗开裂新结构涂层设计方法,为研发长寿命热障涂层指明了发展方向。在未来研究中,如何保证涂层高隔热和长寿命并同时兼顾经济性,是发展新一代高性能热障涂层的重点方向。     

TiN/Ti强韧涂层在砂尘高速冲蚀下的失效机理

利用高速连续冲蚀试验系统,在不同的冲击角及供砂量下,对有无TiN/Ti强韧涂层的不锈钢试件进行了砂尘高速冲蚀试验,获得了试件的质量冲蚀率。采用扫描电镜(SEM)对涂层损伤表面及断面形貌进行观测与分析,研究TiN/Ti涂层在不同冲击条件下的失效机理。结果表明:TiN/Ti涂层质量冲蚀率随冲击角及供砂量的增加而增加。在低冲击角下,砂尘粒子的切削作用是导致涂层材料剥落的主要原因;高冲击角下,砂尘冲击引起的裂纹萌生及扩展致使涂层材料块状破碎而剥落。TiN/Ti涂层显著提高了不锈钢的抗冲蚀性能,尤其是在低冲击角下。低冲击角下,涂层能将不锈钢的冲蚀性能提高约5倍;高冲击角下能提高约2倍。      

固体颗粒冲蚀对钛合金ZrN涂层抗冲蚀性能的影响

采用真空电弧镀在TC11钛合金上沉积ZrN涂层,固体颗粒冲蚀实验研究不同冲蚀颗粒、冲蚀速度、冲蚀角度对涂层抗冲蚀性能的影响,并用SEM观察表面及断面形貌.结果表明,在相同冲蚀条件下,ZrN涂层冲蚀率随冲蚀颗粒硬度、冲击角度及冲蚀颗粒速度的增加而增加,冲蚀角度为90°时,ZrN涂层冲蚀速率最大,ZrN涂层提高了TC11钛合金的抗冲蚀性能.     

涡轮叶片热障涂层在CMAS 环境下的失效分析

对于多台份某型发动机在试车后出现的带热障涂层涡轮叶片表面附着较多环境沉积物CMAS进而导致热障涂层脱落 失效的故障,通过宏观形貌观察、化学成分分析、微观结构分析等方法对CMAS分布规律、成分特征和失效模式进行了分析。结果 表明：CMAS沉积物在叶盆面较厚、叶背面较薄,靠近缘板处较厚、叶身中部位置较薄,进气边较厚、排气边较薄;厚度较薄处的附 着物颗粒细小、分布均匀,较厚处的附着物结构较疏松,大多呈块状不均匀分布;涡轮叶片热障涂层表面沉积物及气膜孔堵塞物的 成分以CMAS为主,同时还有中低温部件碰摩磨屑生成的Fe2O3、TiO2和NiO;由CMAS腐蚀引发的热障涂层失效模式主要有气膜孔 堵塞引发周围涂层烧结失效、涂层表面和内部应力失配、陶瓷层柱状晶被冲击撞断以及8YSZ热障涂层被溶解。     

PS–PVD制备YSZ热障涂层的CMAS腐蚀行为研究

热障涂层（TBCs）广泛应用于先进航空发动机热端部件,有效延长了发动机热端部件的服役寿命,成为先进航空发动机必不可少的热防护材料。但在服役过程中一些大气沉积物CMAS加热后变为熔融体吸附在热障涂层表面,并沿着孔隙和裂纹等缺陷渗透至涂层内部,诱导涂层过早失效。采用等离子–物理气相沉积技术（PS–PVD）制备YSZ热障涂层,利用XRD、SEM等表征手段,对不同腐蚀时间的涂层物相成分、微观结构进行了表征。研究结果表明,YSZ涂层在1250℃下经过CMAS腐蚀后发生了相变;随着腐蚀时间的增加,CMAS沉积物会沿着热障涂层类柱状晶间隙渗透至内部,导致涂层结构出现疏松,并且在陶瓷层上部区域出现了类柱状晶断裂现象,涂层宏观表现为部分陶瓷层剥落;腐蚀8 h后陶瓷层部分区域出现了类柱状晶从粘结层上整体剥离;CMAS渗透深度随腐蚀时间的增加不断加大,在腐蚀3 h内其渗透速度相对较快,腐蚀3 h以后其渗透速度会相对变得缓慢。     

热障涂层的失效机理和力学模型

综述了热障涂层 (TBC)系统的结构特点、常规机械性能的测试方法、失效模式和失效机理 ,分析了现有的几种预测寿命模型。主要结论为 :无论是等离子喷涂法 ,还是电子束物理汽相沉积法 (ED -PVD)和电子束化学汽相沉积法制造的涂层 ,粘结层的氧化是失效的一个重要原因 ;目前广泛采用的压痕法以及数值分析法得到的涂层材料性能与实际情况都有较大的差距 ;在制造和热处理过程中带来的残余应力与残余应变对涂层寿命有较大的影响 ,当前的分析和实验手段都不能很好处理这个问题。重点分析了NASA提出的几个涂层寿命模型 ,这些模型都考虑了细观结构的变化和失效机理 ,但模型参数的确定有较大的困难