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熱障涂層破壞理論與評價技術 版權信息
- ISBN：9787030682802
- 條形碼：9787030682802 ; 978-7-03-068280-2
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
熱障涂層破壞理論與評價技術 本書特色
本書可供國家航發系統的所有企事業單位一線的科研人員和管理人員參考使用，可做為高等學校力學學科固體力學學科、材料學科的教師和博士生、碩士生，個別高年級的本科生教材使用。
熱障涂層破壞理論與評價技術 內容簡介
本書共分三篇。篇破壞理論，包括：熱障涂層熱力化耦合的基本理論框架、渦輪葉片熱障涂層非線性有限元、熱障涂層界面氧化的熱力化耦合生長與破壞、熱障涂層CMAS腐蝕的熱力化耦合、熱障涂層沖蝕破壞機制的理論與實驗研究。第二篇性能表征，包括熱障涂層基本力學性能及其表征、熱障涂層斷裂韌性的表征、熱障涂層的殘余應力、熱障涂層裂紋的聲發射實時表征、熱障涂層微結構演變的復阻抗譜表征、熱障涂層應力應變場的數字散斑表征、其他無損檢測方法。第三篇評價技術，包括熱障涂層隔熱效果、熱障涂層可靠性評價、熱障涂層破壞機制與可靠性評價試驗平臺
熱障涂層破壞理論與評價技術 目錄
目錄
序
緒論 1
0.1 熱障涂層及其制備方法 2
0.1.1 熱障涂層材料與結構 2
0.1.2 熱障涂層制備方法 4
0.2 熱障涂層剝落失效及其主要因素 7
0.2.1 熱障涂層服役環境 7
0.2.2 熱障涂層剝落失效及其主要因素 8
0.3 熱障涂層失效對固體力學的需求與挑戰 11
0.3.1 熱障涂層失效對固體力學的需求 11
0.3.2 熱障涂層失效對固體力學的挑戰 13
0.4 內容概述 17
參考文獻 18
**篇 熱障涂層破壞理論
第1章 熱障涂層熱力化耦合的基本理論框架 25
1.1 連續介質力學 25
1.2 基于小變形的熱力化耦合理論框架 27
1.2.1 基于小變形的應變與應力度量 27
1.2.2 基于小變形的應力應變本構關系 40
1.2.3 基于小變形的熱力耦合本構理論 44
1.2.4 基于小變形的熱力化耦合本構理論 51
1.3 基于大變形的熱力化耦合理論框架 56
1.3.1 運動學描述 56
1.3.2 應力應變度量 59
1.3.3 質量守恒方程與力平衡方程 61
1.3.4 基于大變形的熱力耦合本構理論 65
1.3.5 基于大變形的熱力化耦合本構理論 69
1.4 總結與展望 78
參考文獻 80
第2章 渦輪葉片熱障涂層非線性有限元 82
2.1 有限元分析原理 82
2.1.1 泛函變分原理 83
2.1.2 Eulerian格式的弱形式 86
2.1.3 Eulerian格式的有限元離散 88
2.1.4 Lagrangian格式弱形式 91
2.1.5 Lagrangian格式有限元離散 93
2.1.6 自適應網格弱形式 95
2.1.7 初始條件和邊界條件 98
2.2 渦輪葉片熱障涂層有限元建模 99
2.2.1 渦輪葉片幾何特征 99
2.2.2 渦輪葉片參數化建模 101
2.3 渦輪葉片網格劃分 111
2.3.1 非結構化網格劃分 111
2.3.2 渦輪葉片結構化網格 115
2.4 圖像有限元建模 118
2.4.1 圖像有限元方法 119
2.4.2 二維TGO界面模型建立方法 121
2.4.3 多孔陶瓷層建模方法 123
2.4.4 三維TGO界面模型建立方法 125
2.5 總結與展望 126
參考文獻 126
第3章 熱障涂層界面氧化的幾何非線性理論 129
3.1 界面氧化現象及失效 129
3.1.1 界面氧化特征及規律 129
3.1.2 界面氧化誘導的應力場 132
3.1.3 界面氧化誘導涂層的剝落 135
3.2 基于擴散反應的TGO生長模型 136
3.2.1 控制方程 136
3.2.2 有限元模擬 141
3.3 熱障涂層界面氧化的熱力化耦合解析模型 150
3.3.1 界面氧化熱力化耦合生長解析模型 150
3.3.2 界面氧化熱力化耦合生長本構關系 161
3.3.3 界面氧化熱力化耦合生長規律與機制分析 176
3.4 總結與展望 184
參考文獻 184
第4章 熱障涂層界面氧化物理非線性的耦合生長與破壞 188
4.1 熱障涂層界面氧化的物理非線性熱力化耦合生長模型 188
4.1.1 模型框架 188
4.1.2 數值實施 195
4.1.3 結果和討論 197
4.1.4 界面氧化耦合解析模型 204
4.1.5 與實驗結果的對比 206
4.2 內聚力模型和相場模型一體化的界面氧化失效理論 210
4.2.1 內聚力模型和相場模型一體化的模型框架 210
4.2.2 相場模型簡介 211
4.2.3 相場裂紋相互作用的內聚力模型簡介 214
4.2.4 數值實施 218
4.2.5 結果和討論 220
4.3 總結與展望 227
4.3.1 總結 227
4.3.2 展望 228
參考文獻 228
第5章 熱障涂層CMAS腐蝕的熱力化耦合理論 232
5.1 熔融CMAS的滲透及其關鍵影響因素的關聯分析 232
5.1.1 EB-PVD熱障涂層熔融CMAS滲入深度的理論模型 232
5.1.2 EB-PVD熱障涂層中熔融CMAS滲入深度及影響因素實驗 241
5.1.3 EB-PVD熱障涂層CMAS滲入深度及影響因素 243
5.1.4 APS熱障涂層中CMAS熔融物的滲透 250
5.2 受腐蝕涂層的微結構演變、變形與成分流失 254
5.2.1 涂層微觀結構演變與變形 254
5.2.2 CMAS滲透與腐蝕熱障涂層的熱力化耦合理論 260
5.2.3 CMAS腐蝕熱障涂層Y元素分布規律的定量表征 266
5.3 CMAS腐蝕涂層過程中相結構表征與相場理論 274
5.3.1 涂層相結構演變的XRD表征 274
5.3.2 涂層微觀結構演變的透射電鏡表征 275
5.3.3 降溫過程受腐蝕涂層的熱力化耦合相變理論 277
5.4 總結與展望 284
參考文獻 285
第6章 熱障涂層的沖蝕失效機理 289
6.1 熱障涂層的沖蝕失效現象 289
6.1.1 熱障涂層失效現象 289
6.1.2 熱障涂層沖蝕率 290
6.1.3 各種涂層沖蝕性能的比較 290
6.1.4 熱障涂層沖蝕性能的一般規律 291
6.2 典型熱障涂層的沖蝕失效模式 293
6.2.1 EB-PVD熱障涂層的沖蝕失效模式 293
6.2.2 APS熱障涂層的沖蝕失效模式 295
6.2.3 PS-PVD熱障涂層的沖蝕失效模式 296
6.2.4 熱障涂層的CMAS沖蝕失效 297
6.2.5 影響熱障涂層沖蝕性能的因素 298
6.3 熱障涂層沖蝕參數關聯的數值模擬 300
6.3.1 量綱分析理論 300
6.3.2 熱障涂層沖蝕的量綱分析 301
6.3.3 沖蝕參數關聯的數值模擬分析 304
6.4 考慮微結構影響的沖蝕失效行為分析 308
6.4.1 真實微結構EB-PVD熱障涂層的數值模型 308
6.4.2 考慮微結構的屈服條件 309
6.4.3 沖蝕過程中各種參數的關聯分析 310
6.4.4 典型沖蝕失效模式的分析 312
6.5 熱障涂層沖蝕失效機理與抗力指標 318
6.5.1 EB-PVD熱障涂層的沖蝕抗力指標 318
6.5.2 APS熱障涂層的沖蝕抗力指標 321
6.6 熱障涂層的沖蝕失效機制圖 322
6.6.1 從理論角度建立破壞機制圖 323
6.6.2 從數值模擬出發建立某一失效模式的破壞機制圖 326
6.7 總結與展望 330
6.7.1 總結 330
6.7.2 展望 330
參考文獻 330
第二篇 熱障涂層表征技術
第7章 熱障涂層基本力學性能及其表征 337
7.1 EB-PVD熱障涂層彈性行為的原位測量 337
7.1.1 基于數字圖像相關技術的微彎曲試驗 338
7.1.2 實驗和數值模擬結果分析 341
7.1.3 影響彈性模量測量精度的因素 344
7.2 熱障涂層力學性能的微結構與時空相關性 345
7.2.1 高速納米壓痕映射技術表征微結構與時空相關性原理 345
7.2.2 高速納米壓痕映射和反卷積技術 347
7.2.3 黏結層和陶瓷涂層快速納米壓痕力學性能表征 349
7.2.4 基于反卷積法表征熱障涂層微觀結構相分布 353
7.3 熱障涂層的蠕變性能 356
7.3.1 EB-PVD熱障涂層材料的高溫蠕變特性 356
7.3.2 TGO在拉應力作用下的蠕變行為 359
7.3.3 熱障涂層蠕變行為對界面應力的影響 362
7.4 總結與展望 364
7.4.1 總結 364
7.4.2 展望 365
參考文獻 365
第8章 熱障涂層斷裂韌性的表征 368
8.1 熱障涂層表面斷裂韌性的表征 368
8.1.1 斷裂韌性的定義 368
8.1.2 不帶基底熱障涂層表面斷裂韌性的單邊切口梁法表征 369
8.1.3 熱障涂層表面斷裂韌性的三點彎曲-聲發射結合法表征 374
8.2 熱障涂層界面斷裂韌性的常規表征方法 380
8.2.1 熱障涂層界面斷裂韌性表征的理論模型 380
8.2.2 熱障涂層界面斷裂韌性的三點彎曲法表征 382
8.3 熱障涂層表界面斷裂韌性的壓痕法表征 384
8.3.1 熱障涂層表面斷裂韌性的壓痕法表征 384
8.3.2 熱障涂層界面斷裂韌性的壓痕法表征 386
8.4 熱障涂層界面斷裂韌性的屈曲法表征 388
8.4.1 熱障涂層界面斷裂韌性的屈曲實驗 388
8.4.2 熱障涂層界面斷裂韌性的屈曲有限元模擬 393
8.4.3 熱障涂層界面斷裂韌性的屈曲表征的理論模型 398
8.5 熱障涂層界面斷裂韌性的鼓包法表征 402
8.6 高溫下熱障涂層斷裂韌性的原位表征 410
8.6.1 高溫下熱障涂層表面斷裂韌性的壓痕法表征 410
8.6.2 高溫下熱障涂層斷裂韌性的三點彎曲法表征 413
8.7 總結與展望 421
8.7.1 總結 421
8.7.2 展望 421
參考文獻 422
第9章 熱障涂層殘余應力的表征 427
9.1 熱障涂層殘余應力的產生 427
9.1.1 熱障涂層殘余應力產生的原因 427
9.1.2 熱障涂層殘余應力的影響因素 428
9.2 熱障涂層殘余應力的模擬與預測 431
9.2.1 熱障涂層渦輪葉片應力場演化及危險區域預測 432
9.2.2 流固耦合的熱障涂層渦輪葉片應力場 436
9.3 熱障涂層殘余應力的有損表征 451
9.3.1 曲率法表征 451
9.3.2 鉆孔法表征 454
9.3.3 環芯法表征 461
9.4 熱障涂層殘余應力的無損表征 466
9.4.1 X射線衍射法表征 466
9.4.2 拉曼光譜法表征 472
9.4.3 TGO層內殘余應力的PLPS法表征 475
9.5 總結與展望 481
9.5.1 總結 481
9.5.2 展望 481
參考文獻 481
第10章 熱障涂層裂紋的聲發射實時表征 487
10.1 高溫聲發射檢測方法 487
10.1.1 聲發射檢測基本原理 487
10.1.2 高溫復雜環境的波導絲傳輸技術 488
10.1.3 基于區域信號選擇的聲發射信號檢測方法 490
10.2 裂紋模式識別的關鍵參數分析 491
10.2.1 熱障涂層關鍵失效模式及其聲發射信號時域特征 491
10.2.2 基于特征頻率的熱障涂層失效模式識別 493
10.2.3 基于聚類分析的模式識別特征參數提取 495
10.3 基于小波與神經網絡的裂紋模式智能識別方法 502
10.3.1 小波變換的基本原理與方法 503
10.3.2 熱障涂層損傷聲發射信
序
緒論 1
0.1 熱障涂層及其制備方法 2
0.1.1 熱障涂層材料與結構 2
0.1.2 熱障涂層制備方法 4
0.2 熱障涂層剝落失效及其主要因素 7
0.2.1 熱障涂層服役環境 7
0.2.2 熱障涂層剝落失效及其主要因素 8
0.3 熱障涂層失效對固體力學的需求與挑戰 11
0.3.1 熱障涂層失效對固體力學的需求 11
0.3.2 熱障涂層失效對固體力學的挑戰 13
0.4 內容概述 17
參考文獻 18
**篇 熱障涂層破壞理論
第1章 熱障涂層熱力化耦合的基本理論框架 25
1.1 連續介質力學 25
1.2 基于小變形的熱力化耦合理論框架 27
1.2.1 基于小變形的應變與應力度量 27
1.2.2 基于小變形的應力應變本構關系 40
1.2.3 基于小變形的熱力耦合本構理論 44
1.2.4 基于小變形的熱力化耦合本構理論 51
1.3 基于大變形的熱力化耦合理論框架 56
1.3.1 運動學描述 56
1.3.2 應力應變度量 59
1.3.3 質量守恒方程與力平衡方程 61
1.3.4 基于大變形的熱力耦合本構理論 65
1.3.5 基于大變形的熱力化耦合本構理論 69
1.4 總結與展望 78
參考文獻 80
第2章 渦輪葉片熱障涂層非線性有限元 82
2.1 有限元分析原理 82
2.1.1 泛函變分原理 83
2.1.2 Eulerian格式的弱形式 86
2.1.3 Eulerian格式的有限元離散 88
2.1.4 Lagrangian格式弱形式 91
2.1.5 Lagrangian格式有限元離散 93
2.1.6 自適應網格弱形式 95
2.1.7 初始條件和邊界條件 98
2.2 渦輪葉片熱障涂層有限元建模 99
2.2.1 渦輪葉片幾何特征 99
2.2.2 渦輪葉片參數化建模 101
2.3 渦輪葉片網格劃分 111
2.3.1 非結構化網格劃分 111
2.3.2 渦輪葉片結構化網格 115
2.4 圖像有限元建模 118
2.4.1 圖像有限元方法 119
2.4.2 二維TGO界面模型建立方法 121
2.4.3 多孔陶瓷層建模方法 123
2.4.4 三維TGO界面模型建立方法 125
2.5 總結與展望 126
參考文獻 126
第3章 熱障涂層界面氧化的幾何非線性理論 129
3.1 界面氧化現象及失效 129
3.1.1 界面氧化特征及規律 129
3.1.2 界面氧化誘導的應力場 132
3.1.3 界面氧化誘導涂層的剝落 135
3.2 基于擴散反應的TGO生長模型 136
3.2.1 控制方程 136
3.2.2 有限元模擬 141
3.3 熱障涂層界面氧化的熱力化耦合解析模型 150
3.3.1 界面氧化熱力化耦合生長解析模型 150
3.3.2 界面氧化熱力化耦合生長本構關系 161
3.3.3 界面氧化熱力化耦合生長規律與機制分析 176
3.4 總結與展望 184
參考文獻 184
第4章 熱障涂層界面氧化物理非線性的耦合生長與破壞 188
4.1 熱障涂層界面氧化的物理非線性熱力化耦合生長模型 188
4.1.1 模型框架 188
4.1.2 數值實施 195
4.1.3 結果和討論 197
4.1.4 界面氧化耦合解析模型 204
4.1.5 與實驗結果的對比 206
4.2 內聚力模型和相場模型一體化的界面氧化失效理論 210
4.2.1 內聚力模型和相場模型一體化的模型框架 210
4.2.2 相場模型簡介 211
4.2.3 相場裂紋相互作用的內聚力模型簡介 214
4.2.4 數值實施 218
4.2.5 結果和討論 220
4.3 總結與展望 227
4.3.1 總結 227
4.3.2 展望 228
參考文獻 228
第5章 熱障涂層CMAS腐蝕的熱力化耦合理論 232
5.1 熔融CMAS的滲透及其關鍵影響因素的關聯分析 232
5.1.1 EB-PVD熱障涂層熔融CMAS滲入深度的理論模型 232
5.1.2 EB-PVD熱障涂層中熔融CMAS滲入深度及影響因素實驗 241
5.1.3 EB-PVD熱障涂層CMAS滲入深度及影響因素 243
5.1.4 APS熱障涂層中CMAS熔融物的滲透 250
5.2 受腐蝕涂層的微結構演變、變形與成分流失 254
5.2.1 涂層微觀結構演變與變形 254
5.2.2 CMAS滲透與腐蝕熱障涂層的熱力化耦合理論 260
5.2.3 CMAS腐蝕熱障涂層Y元素分布規律的定量表征 266
5.3 CMAS腐蝕涂層過程中相結構表征與相場理論 274
5.3.1 涂層相結構演變的XRD表征 274
5.3.2 涂層微觀結構演變的透射電鏡表征 275
5.3.3 降溫過程受腐蝕涂層的熱力化耦合相變理論 277
5.4 總結與展望 284
參考文獻 285
第6章 熱障涂層的沖蝕失效機理 289
6.1 熱障涂層的沖蝕失效現象 289
6.1.1 熱障涂層失效現象 289
6.1.2 熱障涂層沖蝕率 290
6.1.3 各種涂層沖蝕性能的比較 290
6.1.4 熱障涂層沖蝕性能的一般規律 291
6.2 典型熱障涂層的沖蝕失效模式 293
6.2.1 EB-PVD熱障涂層的沖蝕失效模式 293
6.2.2 APS熱障涂層的沖蝕失效模式 295
6.2.3 PS-PVD熱障涂層的沖蝕失效模式 296
6.2.4 熱障涂層的CMAS沖蝕失效 297
6.2.5 影響熱障涂層沖蝕性能的因素 298
6.3 熱障涂層沖蝕參數關聯的數值模擬 300
6.3.1 量綱分析理論 300
6.3.2 熱障涂層沖蝕的量綱分析 301
6.3.3 沖蝕參數關聯的數值模擬分析 304
6.4 考慮微結構影響的沖蝕失效行為分析 308
6.4.1 真實微結構EB-PVD熱障涂層的數值模型 308
6.4.2 考慮微結構的屈服條件 309
6.4.3 沖蝕過程中各種參數的關聯分析 310
6.4.4 典型沖蝕失效模式的分析 312
6.5 熱障涂層沖蝕失效機理與抗力指標 318
6.5.1 EB-PVD熱障涂層的沖蝕抗力指標 318
6.5.2 APS熱障涂層的沖蝕抗力指標 321
6.6 熱障涂層的沖蝕失效機制圖 322
6.6.1 從理論角度建立破壞機制圖 323
6.6.2 從數值模擬出發建立某一失效模式的破壞機制圖 326
6.7 總結與展望 330
6.7.1 總結 330
6.7.2 展望 330
參考文獻 330
第二篇 熱障涂層表征技術
第7章 熱障涂層基本力學性能及其表征 337
7.1 EB-PVD熱障涂層彈性行為的原位測量 337
7.1.1 基于數字圖像相關技術的微彎曲試驗 338
7.1.2 實驗和數值模擬結果分析 341
7.1.3 影響彈性模量測量精度的因素 344
7.2 熱障涂層力學性能的微結構與時空相關性 345
7.2.1 高速納米壓痕映射技術表征微結構與時空相關性原理 345
7.2.2 高速納米壓痕映射和反卷積技術 347
7.2.3 黏結層和陶瓷涂層快速納米壓痕力學性能表征 349
7.2.4 基于反卷積法表征熱障涂層微觀結構相分布 353
7.3 熱障涂層的蠕變性能 356
7.3.1 EB-PVD熱障涂層材料的高溫蠕變特性 356
7.3.2 TGO在拉應力作用下的蠕變行為 359
7.3.3 熱障涂層蠕變行為對界面應力的影響 362
7.4 總結與展望 364
7.4.1 總結 364
7.4.2 展望 365
參考文獻 365
第8章 熱障涂層斷裂韌性的表征 368
8.1 熱障涂層表面斷裂韌性的表征 368
8.1.1 斷裂韌性的定義 368
8.1.2 不帶基底熱障涂層表面斷裂韌性的單邊切口梁法表征 369
8.1.3 熱障涂層表面斷裂韌性的三點彎曲-聲發射結合法表征 374
8.2 熱障涂層界面斷裂韌性的常規表征方法 380
8.2.1 熱障涂層界面斷裂韌性表征的理論模型 380
8.2.2 熱障涂層界面斷裂韌性的三點彎曲法表征 382
8.3 熱障涂層表界面斷裂韌性的壓痕法表征 384
8.3.1 熱障涂層表面斷裂韌性的壓痕法表征 384
8.3.2 熱障涂層界面斷裂韌性的壓痕法表征 386
8.4 熱障涂層界面斷裂韌性的屈曲法表征 388
8.4.1 熱障涂層界面斷裂韌性的屈曲實驗 388
8.4.2 熱障涂層界面斷裂韌性的屈曲有限元模擬 393
8.4.3 熱障涂層界面斷裂韌性的屈曲表征的理論模型 398
8.5 熱障涂層界面斷裂韌性的鼓包法表征 402
8.6 高溫下熱障涂層斷裂韌性的原位表征 410
8.6.1 高溫下熱障涂層表面斷裂韌性的壓痕法表征 410
8.6.2 高溫下熱障涂層斷裂韌性的三點彎曲法表征 413
8.7 總結與展望 421
8.7.1 總結 421
8.7.2 展望 421
參考文獻 422
第9章 熱障涂層殘余應力的表征 427
9.1 熱障涂層殘余應力的產生 427
9.1.1 熱障涂層殘余應力產生的原因 427
9.1.2 熱障涂層殘余應力的影響因素 428
9.2 熱障涂層殘余應力的模擬與預測 431
9.2.1 熱障涂層渦輪葉片應力場演化及危險區域預測 432
9.2.2 流固耦合的熱障涂層渦輪葉片應力場 436
9.3 熱障涂層殘余應力的有損表征 451
9.3.1 曲率法表征 451
9.3.2 鉆孔法表征 454
9.3.3 環芯法表征 461
9.4 熱障涂層殘余應力的無損表征 466
9.4.1 X射線衍射法表征 466
9.4.2 拉曼光譜法表征 472
9.4.3 TGO層內殘余應力的PLPS法表征 475
9.5 總結與展望 481
9.5.1 總結 481
9.5.2 展望 481
參考文獻 481
第10章 熱障涂層裂紋的聲發射實時表征 487
10.1 高溫聲發射檢測方法 487
10.1.1 聲發射檢測基本原理 487
10.1.2 高溫復雜環境的波導絲傳輸技術 488
10.1.3 基于區域信號選擇的聲發射信號檢測方法 490
10.2 裂紋模式識別的關鍵參數分析 491
10.2.1 熱障涂層關鍵失效模式及其聲發射信號時域特征 491
10.2.2 基于特征頻率的熱障涂層失效模式識別 493
10.2.3 基于聚類分析的模式識別特征參數提取 495
10.3 基于小波與神經網絡的裂紋模式智能識別方法 502
10.3.1 小波變換的基本原理與方法 503
10.3.2 熱障涂層損傷聲發射信
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熱障涂層破壞理論與評價技術 節選
緒論 航空發動機是飛機的“心臟”，國之重器，是國家核心競爭力的重要標志之一。三代、四代航空發動機渦輪前進口溫度均超過高溫金屬材料的熔點。一代材料，一代裝置，作為提升燃氣渦輪發動機服役溫度*切實可行的技術，熱障涂層已成為航空發動機、燃氣輪機高壓渦輪葉片等熱端部件必不可少的熱防護材料，極大程度上決定了發動機的性能與發展水平。世界各航空強國均在重大推進計劃中把熱障涂層列為核心關鍵技術，我國也已經把熱障涂層列為兩機迫切需求的關鍵技術。 服役在發動機渦輪葉片等熱端部件的熱障涂層，長時間處于近馬赫數、2000K燃氣的沖擊，1萬～5萬轉/分旋轉離心力，疲勞、蠕變、CMAS腐蝕、顆粒沖蝕、氧化等并伴隨化學反應的極端環境下。極端惡劣環境致使涂層以多種復雜的機制剝落失效，這給破壞理論的研究帶來許多新的挑戰。例如，熱障涂層界面氧化失效問題中的氧化反應、熱失配與生長應力、高溫等會彼此影響，氧化過程及其誘導的涂層剝落既是一個典型的熱力化耦合物理非線性問題，同時又是一個應變可高達10%的幾何非線性問題。又如，高溫下熱障涂層的高溫熔融物(鈣鎂鋁硅氧化物，簡稱CMAS)腐蝕，其滲透規律、性能演變規律、熱力化耦合機制，都是熱障涂層表現出的新的破壞現象，迄今人們對這一現象的力學本質還認識不足。 渦輪葉片幾何形狀復雜(含缺陷、多層體系的熱障涂層微結構)，且服役時涂層和界面的成分、微結構及性能都會演變，且物理和幾何都是非線性的特性給力學性能表征、數值模擬技術都帶來了新的問題。此外，高溫是熱障涂層不可避免的服役環境，如何實現高溫下涂層性能的表征，如何準確描述高溫復雜環境的載荷條件，都是熱障涂層破壞分析需要考慮的問題。 性能評價與服役壽命預測是熱障涂層應用部門*迫切的需求，服役壽命與材料、服役環境參數的關聯則是熱障涂層生產部門*直接的依據，也是破壞機制研究的*終目標，更是這一領域*為棘手的前沿科學難題。此外，模擬考核裝置能提供*可信、直接的實驗依據，是熱障涂層破壞機制分析、評價技術研究領域的熱點與重點，也是各國封鎖點。 因此，熱障涂層剝落破壞的理論、數值計算方法、力學性能表征、性能與服役壽命評價，以及試車前的模擬考核裝置，都是熱障涂層破壞機制與性能評價研究需要研究的內容。 0.1 熱障涂層及其制備方法 0.1.1 熱障涂層材料與結構 為了滿足燃氣渦輪發動機服役溫度日益發展的需求，1953年美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)提出了熱障涂層的概念[1-3]。熱障涂層的熱防護原理是利用陶瓷材料具有耐高溫、熱穩定、熱傳導率低、抗腐蝕性能好等特點，將陶瓷與金屬基體以涂層的方式相結合，使得高溫金屬基體材料與高溫燃氣相隔絕來降低金屬熱端部件表面的溫度，同時增強熱端部件抗高溫氧化和耐熱腐蝕的能力[4，5]。熱障涂層在航空發動機、燃氣輪機渦輪葉片等熱端部件得到了很好的應用[1-8]。 典型的熱障涂層結構為雙層模型[9]。渦輪葉片熱障涂層幾何形狀與涂層結構如圖0.1所示，葉片基體一般是鎳基高溫合金(定向凝固鑄造合金或單晶合金)，熱障涂層包含一個金屬黏結層和隔熱陶瓷層。陶瓷層的厚度一般為90～300m，目前廣泛應用的材料為7～8wt.% Y2O3穩定的ZrO2陶瓷，簡稱7YSZ涂層。金屬黏結層的厚度一般為50～150m，目前廣泛應用的材料為MCrAlYX(M = Ni和/或Co， X = Hf， Ta， Si等)或者擴散型的Pt/Ni-Al涂層。黏結層可以有效改善基體與陶瓷層熱、物理、力學性能之間的不匹配性，同時生成的氧化膜能提高基體合金的抗氧化和耐腐蝕性能。此外，制備和服役過程中，黏結層中的金屬元素與涂層及外界的氧會擴散至黏結層/陶瓷層界面處，發生氧化反應生成熱生長氧化物(thermally growth oxide，TGO)，其主要成分是-Al2O3，厚度一般在10m范圍以內[3，10]。 圖0.1 熱障涂層渦輪葉片及熱障涂層系統的橫截面圖[3] YSZ涂層因為相變、易腐蝕而無法在1200℃以上的環境下安全服役[11，12]。為此，一系列新型的熱障涂層材料體系相繼得以研發。主要包括三個方面。 (1)稀土氧化物摻雜。通過在YSZ中增加耐更高溫度的稀土金屬氧化物來降低涂層熱導率、提升其承溫能力，這些稀土元素主要包括Hf、Ce、Sc、Gd、Nd、Yb和La等[9，12，13]。如ZrO2-(YNdGd)2O3和ZrO2-(YNdYb)2O3稀土金屬氧化物摻雜的熱障涂層，其導熱性降低了50%～66%，并表現出優異的抗腐蝕能力。 (2)新材料。如A2B2O7型化合物(A為稀土元素，B為Zr、Hf、Ce等元素)、LnMAl11O19或LnTi2Al9O19磁鉛型化合物(Ln可為La、Gd、SM、Yb，M可為Mg、Mn、Zn、Cr、Sm等)、稀土鋁酸鹽(RE3AlO12)、鈣鈦礦(如SrZrO3)等具有高熔點、低熱導率、高熱膨脹系數的新型材料[9，14，15]。如La2Zr2O7熱障涂層表現出高熔點、低導熱系數和優異的燒結性能等特點[16，17]。Shen等也提出鉭系列涂層，如ZrO2- YTaO4、ZrO2-YbTaO4、Y-Ta-Zr-O等，不僅具有極高的相變溫度、低的熱傳導系數，可以滿足1400℃以上服役溫度的需求，同時表現出很高的斷裂韌性[17-20]。本書作者從鐵彈增韌機制出發，提出的A6B2O17(A = Hf或Zr，B = Ta或Y)新型熱障涂層具備了高熔點、高隔熱、高斷裂韌性的特點[21]。 但目前這些涂層體系都還沒有得到實際應用，其中*大的一個缺陷就是涂層斷裂韌性低，熱震性能較YSZ差。此外，在YSZ表面噴涂CMAS難以潤濕的膜(如Pd、Pt、ZrSiO4和SiOC等)[22]能減小CMAS滲透，但不能完全隔離CMAS；在YSZ中添加Al、Ti或某些稀土元素，能與CMAS結晶從而有效抑制它的侵蝕[23]，但同時也降低了隔熱與力學性能。 (3)新結構。通過雙(多)層、功能梯度、復合涂層來設計新型熱障涂層結構[14，15，24，25]。例如，我國設計的La2(Zr0.7Ce0.3)2O7/YSZ雙涂層體系，就利用了La2(Zr0.7Ce0.3)2O7抗CMAS以及YSZ高隔熱的優點[17，26]。功能梯度熱障涂層是將黏結層材料和陶瓷層混合，實現成分和結構的連續梯度變化，消除涂層與黏結層這兩種材料的界面，從而得到功能隨組成漸變且不易剝落的非均質材料，如圖0.2所示。為了減少制備的難度，往往做成黏結層與陶瓷層成分按固定比例逐步變化的梯度層。復合涂層是為了適應高溫、熱應力、腐蝕、氧化等多種復雜環境，按照不同功能制備的多層涂層體系[27]。如圖0.3所示的代表性熱障涂層復合涂層結構，包括抗腐蝕的表面涂層、隔熱層、抗腐蝕/氧化層、熱應力控制層、擴散障層等。與功能梯度熱障涂層相似，因為制備工藝的困難以及各種涂層界面性能的調控機制不清晰，復合涂層的實際應用還非常少。 圖0.2 功能梯度熱障涂層 圖0.3 復合涂層結構 0.1.2 熱障涂層制備方法 自從20世紀50年代NASA提出熱障涂層的概念之后，熱障涂層的制備技術日新月異。從*開始的火焰噴涂技術，到目前多種方法制備，如高速火焰噴涂(high velocity oxygen fuel，HVOF)、爆炸噴涂、離子鍍、磁控濺射、激光熔覆、電弧蒸鍍、離子束輔助沉積(ion beam assisted deposition，IBAD)、化學氣相沉積(chemical vapor deposition，CVD)、等離子噴涂(plasma spraying，PS)和電子束物理氣相沉積(electron beam-physical vapor deposition，EB-PVD)等[28-33]。可以制備出各種不同種類和用途的熱障涂層，使涂層能夠更廣泛地應用到各類熱防護領域。當前*主要和應用*廣的熱障涂層制備方法是PS和EB-PVD。涂層的制備工藝直接影響其微觀組織結構、各種使用性能及可靠性，對涂層的質量產生直接的影響。 1.等離子噴涂技術 等離子噴涂技術是采用直流電驅動的等離子電弧作為熱源，將金屬或陶瓷粉末通過等離子弧加熱到熔融或半熔融狀態，隨著焰流高速噴射并沉積到經過噴砂等預處理的工件表面上，形成附著牢固的面層[28]，工作原理如圖0.4所示。等離子弧具有高溫(中心溫度約2×104K)和高速(粉末噴射速度約1馬赫)的特點，且等離子弧穩定、可控。等離子噴涂主要有兩種：大氣等離子噴涂(atmospheric plasma spraying，APS)和真空(低壓)等離子噴涂(vacuum plasma spraying，VPS)。APS主要用來制備陶瓷層，VPS用來制備黏結層。 如圖0.5(a)所示，當熔化或半熔化的顆粒撞擊在基體上時，顆粒在基體表面鋪展、凝固，形成薄片，使得涂層呈層狀結構。采用等離子噴涂制備的熱障涂層，組織分層狀，薄片有柱狀晶或等軸晶結構，其中的晶粒尺寸在50～200nm之間[29]， 圖0.4 大氣等離子噴涂原理示意圖 圖0.5 APS涂層沉積示意圖(a)和典型等離子制備涂層微觀結構(b) 孔隙率較大，在層與層之間有很多孔洞等缺陷。因此，涂層的熱導率較低，隔熱性能比較好，常用于燃氣輪機以及航空發動機燃燒室、導向葉片等靜止高溫部件[7，9]。 但是，等離子制備的涂層中含有大量未融化的原材料、雜質和孔洞等，這些缺陷在涂層使用過程中會導致硫化、鹽腐蝕形成裂紋源，使涂層與基體結合性能降低、抗熱震性能變差，甚至引起剝落，使涂層失效[3]。此外，涂層表面粗糙度高，抗熱沖擊性能差，難以滿足發動機旋轉工作葉片的苛刻要求。受陶瓷層中的氣孔、夾雜等因素的影響，PS涂層熱循環性能不如EB-PVD熱障涂層[3]。在使用低純度燃料時或者在腐蝕環境下，腐蝕性氣體和腐蝕熔鹽將通過涂層中的孔穴而侵蝕涂層，加速涂層失效。 2.EB-PVD技術 EB-PVD技術是20世紀80年代由美國、英國、德國和蘇聯等國發展起來的新型熱障涂層制備技術，它的工作原理是在較高真空室中，利用聚焦的高能電子束加熱靶材，使之快速熔化并蒸發汽化，蒸發的源材料形成云狀物，運動到工件表面并沉積形成涂層，工藝示意圖如圖0.6所示，工件通常進行加熱，以提高涂層和工件的結合力。 EB-PVD制備的熱障涂層是柱狀晶的結構，如圖0.7所示。相比于PS的多孔層狀涂層，這種柱狀晶的結構能夠承受較高應變，涂層抗熱震性能好；涂層表面光潔度高、不堵塞葉片的冷卻氣體通道，有利于保持葉片的空氣動力學性能；涂層更致密，抗氧化和熱腐蝕性能更好；界面光滑，結合力強。但也存在一定的不足，首先其沉積速率較低，涂層柱狀晶的結構使其熱導率較高。當涂層材料成分相對復雜時，控制材料的成分就比較困難。此外，高能電子束設備及大尺寸真空室運行成本也相對較高。因此，在惡劣環境下工作的熱端部件，如發動機動葉片的熱障涂層均采用EB-PVD技術制備。EB-PVD技術也代表了未來更高性能熱障涂層制備技術的發展方向，發動機強國都在競相開展該技術的研究，但在核心技術尤其是裝置方面對他國尤其對我國是封鎖的。 圖0.6 典型EB-PVD設備示意圖 圖0.7 EB-PVD熱障涂層微觀結構 3.等離子噴涂-物理氣相沉積技術 等離子噴涂-物理氣相沉積(plasma spray physical vapor deposition，PS-PVD)是*近發展起來的一種制備涂層的新方法。在低壓噴涂室內，PS-PVD采用大功率等離子噴槍(*高可達200kW)產生等離子火焰，火焰長度和直徑可以分別達
熱障涂層破壞理論與評價技術 作者簡介
周益春，西安電子科技大學和湘潭大學，教授，博士，博士生導師，“國家杰出青年科學基金”(2005年)和“重量教學名師”(2006年)獲得者。
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