基于内聚力模型的热障涂层失效行为研究

热障涂层以其优异的隔热、耐磨和耐蚀性而被广泛应用于航空涡轮发动机中,其能够提高发动机的热效率和延长涡轮叶片的使用寿命。热障涂层的失效往往是裂纹扩展导致,其主要失效形式为表面开裂和界面分层失效。针对热障涂层的裂纹扩展行为,最重要也最直接的研究方法就是对热障涂层的整个损伤失效过程进行数值模拟,以便深入了解涂层失效过程及失效机理。内聚力模型能够比较精确地描述界面开裂问题,在一定程度上可减轻甚至消除裂纹尖端的应力奇异性,可以模拟任意裂纹扩展,故而在裂纹扩展研究中得到了广泛应用。采用内聚力模型模拟热障涂层表面开裂和界面分层失效的过程中,通常把内聚力单元预埋在可能出现裂纹的实体单元之间,当材料发生破坏时,裂纹就会沿着内聚力单元排布的方向形成和扩展。然而造成热障涂层损伤失效的因素较多,失效机理复杂,以及内聚力模型本身的缺陷性,使得利用内聚力模型模拟热障涂层失效过程的研究还不够全面。目前已经通过内聚力模型实现了热障涂层的损伤失效过程模拟,包括表面开裂过程和界面分层失效过程。当前研究大多忽略了涂层内部的微细观缺陷而将热障涂层视为均质材料进行研究,并且内聚力模型本身还存在一些问题,如参数的确定等。随着热障涂层的发展以及对内聚力模型认识的不断加深,内聚力模型模拟热障涂层损伤失效过程也在不断发展与完善。在表面开裂模拟方面,通过在陶瓷涂层内垂直嵌入内聚力单元来模拟陶瓷层内表面裂纹的扩展行为。陶瓷涂层内裂纹扩展行为的模拟大多采用扩展有限元法,内聚力模型的应用相对较少,而内聚力模型可有效解决界面开裂问题,特别是粘结层/陶瓷界面开裂问题,故而被广泛应用于热障涂层界面失效问题的研究中。本文对内聚力模型进行了简要介绍,总结了内聚力模型在模拟热障涂层损伤失效过程方面的研究进展,指出了当前研究中存在的问题并对其下一步的发展进行了展望。     

基于声发射技术的热障涂层损伤行为

热障涂层以优异的隔热、耐磨和耐蚀性而被广泛应用于航空涡轮发动机中。由于热障涂层体系内部结构复杂,服役环境苛刻,导致其失效不可预测。热障涂层系统内的表面开裂和界面分层是限制热障涂层长时间使用的瓶颈问题,且热障涂层的过早剥落失效会导致合金基体暴露在高温燃气中,这可能引起灾难性的后果。针对涂层的裂纹扩展行为,最重要也最直接的研究方法就是对热障涂层的整个失效过程进行实时无损检测,为寿命预测提供最直接的证据。声发射技术是一种实时动态的无损检测方法,可直接检测热障涂层失效过程中的裂纹扩展行为,因此在热障涂层失效检测领域得到了广泛的应用。然而,造成热障涂层损伤失效的因素较多,如失效机理复杂、失效形式多样,以及声发射信号本身的随机性和不可逆性,使得利用声发射技术检测热障涂层失效整个过程的研究还不够全面。目前,已通过声发射技术的参数分析和波形分析实现了对热障涂层损伤失效的定性、定量和定位分析,并对涂层寿命进行了预测。参数分析是以多个简化的波形特征参数来表示声发射信号的特征,即对一些特征量进行统计的过程,如能量、频率、幅度等。采用声发射特征参数法可定量评估热障涂层的损伤程度并对涂层的寿命进行预测。目前人们从连续损伤累计、某一特定参量变化等多个角度预测热障涂层的寿命,但是各种寿命预测模型主要是根据实验结果的经验或半经验公式,随着热障涂层的发展以及对热障涂层失效机理认识的不断加深,寿命预测模型也在不断发展与完善。波形分析是通过对声发射信号的时域波形或频谱特征分析来获取缺陷信息的一种信号处理方法。从理论上讲,波形分析应当能给出任何所需的信息,因而波形也是表达声发射源特征最精确的方法,目前主要通过小波变换把声发射波形信号从时域变换到频域,进而识别其损伤模式并实现声发射源的定位。本文对声发射技术进行了简要的介绍,总结了声发射技术参数分析和波形分析在热障涂层损伤模式识别、损伤位置的定位、损伤程度的定量评估和剩余寿命预测方面的研究进展,指出了当前研究中存在的问题并对其下一步的发展进行了展望。     

热障涂层失效机理研究进展

热障涂层(TBCs)具有良好的隔热性能,是航空发动机和燃气轮机高温部件的关键材料.在高温服役状态,涂层的剥落会导致严重的问题,因此涂层的失效机理是热障涂层研究中急需解决的关键问题.除了受到热应力的影响以外,涂层的失效还受到热生长氧化物(TGO)的生成和长大的影响,本文介绍了粘结层的氧化、TGO的生成和长大以及微裂纹的产生、扩展、直到剥离脱落的整个失效过程;探讨了影响热障涂层失效的若干因素,并对其进行的各种改性研究进行了概述,分析总结了热障涂层失效相关研究的发展趋势.     

热障涂层的研究现状与发展方向

热障涂层(TBCs)是目前最先进的高温防护涂层之一,具有良好的隔热效果和抗高温氧化性能.综述了热障涂层的陶瓷材料、粘结层材料、涂层结构、制备工艺及涂层失效机理等5个方面的研究现状,在此基础上提出了热障涂层的发展方向.     

热障涂层陶瓷材料的研究现状及发展趋势

热障涂层陶瓷材料的研究是开发适用于下一代高性能航空涡轮发动机热障涂层体系的关键,也是未来热障涂层技术发展的重要方向之一.可用作热障涂层陶瓷材料的主要有用Al2O3、Y2O3等稳定剂稳定的ZrO2、稀土锆酸盐和一些具有钙钛矿结构的氧化物(石榴石、独居石以及LaMgAl11O19等),综述了上述热障涂层陶瓷材料的热物性能和力学性能,对其研究现状及发展趋势进行了分析和探讨.     

热障涂层的研究进展

对热障涂层国内外的研究进展进行了综述。对热障涂层成份的选择、Y2O3稳定ZrO2的相组成及相转变、热障涂层的制备和热障涂层的失效以及热障涂层的发展前景进行了分析。     

金属/陶瓷梯度热障涂层

综述了金属/陶瓷梯度热障涂层的国内外研究成果,对两种主要的制备工艺及其特点和热应力进行了分析,重点对梯度热障涂层的设计、微结构、性能及失效机理进行了研究.展望了进一步的研究方向.     

热障涂层的研究进展与发展趋势

热障涂层一般由金属粘结层和具有低热导率的陶瓷顶层组成,应用于涡轮发动机的热端部件可显著提高其使用温度,延长部件的使用寿命,提高发动机的效率.综述了热障涂层的成分选择、制备方法及等离子喷涂和电子束物理气相沉积2种热障涂层的典型结构,分析了热障涂层的剥落失效机理,并简单介绍了热障涂层的寿命预测模型和隔热特性的研究.     

影响热障涂层失效因素的研究现状及展望

热障涂层(TBCs)具有良好的隔热性能,是燃气轮机高温部件的关键材料,在高温服役过程中,涂层脱落会导致部件工作失效,因此为获得长寿命热障涂层,涂层的脱落失效机理是急需深入研究的问题。综述了热应力、α-Al_2O_3生长、外应力、热生长氧化层(TGO)起伏及孔隙率等缺陷对涂层应力发展的影响,探讨了微裂纹的产生、扩展及脱落的失效过程,最后展望了研究热障涂层失效及提高涂层寿命的努力方向和前景。     

8YSZ-Al2O3复合热障涂层研究进展

热障涂层可以为航空发动机等高温部件提供热防护,对延长其使用寿命具有重要意义.近年来高温部件的使用温度不断提升,对热障涂层的耐温性也提出了更高的要求.长时间高温热循环后,常规热障涂层容易出现开裂、剥落等失效行为,直接影响航空发动机的安全性和可靠性.8YSZ作为经典的热障涂层材料,具有优异的抗热震和隔热性能.但8YSZ致密度较低,涂层中存在较多的空隙和缺陷,其高温抗氧化和耐高温熔盐腐蚀等性能仍有较大的改进空间.而Al2 O3作为常用的陶瓷涂层材料,致密度高、力学性能出色,但过小的热膨胀系数使其无法单独用作热障涂层材料.通过对比可以发现,8YSZ和Al2 O3的性能具有较好的互补性.基于8YSZ和Al2 O3各自的性能优势,研究者们开始将Al2 O3引入8YSZ制备8YSZ-Al2 O3复合涂层,探索将复合涂层用作热障涂层的可行性.研究发现,Al2 O3的加入使8YSZ-Al2 O3复合涂层中产生无定形相,无定形相的含量、重结晶与其耐温性能紧密相关.随着Al2 O3含量的增加,复合涂层的微观结构变得更加致密,其杨氏模量和硬度等力学性能也呈增加趋势.引入Al2 O3可以有效调节8YSZ涂层的微观结构和力学性能.受此影响,复合涂层的抗氧化和耐熔盐腐蚀等性能有较为明显的提高,但其抗热循环性能仍需进一步优化.本文按照复合涂层微观结构与力学性能调控、制备工艺与结构优化和高温应用的顺序重点介绍了8YSZ-Al2 O3复合涂层的研究现状,阐述了其相对传统8YSZ涂层的主要优点及不足,并简要展望了未来发展趋势.