《層級熱障塗層中弱界面裂紋的相互競爭機理》是依託西安交通大學，由李彪擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：層級熱障塗層中弱界面裂紋的相互競爭機理
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：李彪
- 依託單位：西安交通大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
層級熱障塗層是解決重型燃氣輪機高溫部件超高溫熱障的重要手段，陶瓷層級間的弱界面會對塗層系統的失效機理產生顯著影響。因此，研究塗層中弱界面裂紋間的競爭機理對分析塗層系統失效至關重要。本項目以新型耐高溫材料塗覆於傳統陶瓷塗層上形成的雙陶瓷層熱障塗層為對象，發展處理異質材料界面多裂紋任意路徑擴展數值算法，結合原位觀測斷裂實驗，研究層級熱障塗層中弱界面裂紋的萌生及擴展行為，考察層級組元的幾何、材料、界面形貌等特徵對弱界面裂紋擴展路徑的影響機制，分析不同弱界面處裂紋裂尖驅動力的演變規律，揭示弱界面裂紋間的競爭機理，初步建立層級熱障塗層失效準則。本項目的研究可為新型熱障塗層結構設計和強度評價提供理論基礎。
結題摘要
層級熱障塗層中陶瓷層間的弱界面顯著影響塗層內裂紋的萌生與擴展，不同弱界面裂紋的相互競爭將改變塗層系統的脫粘失效機制。本項目採用數值與試驗相結合的方法，研究了熱生長氧化物（TGO）形貌、塗層/基底蠕變、服役條件等因素對層級熱障塗層應力演化的影響規律，獲得了裂紋萌生機理；開發了多界面裂紋擴展數值算法，闡明了層級熱障塗層組元特徵對弱界面裂紋擴展行為的影響，建立了塗層系統增韌結構設計機製圖。研究表明：（1）層級熱障塗層在長時氧化過程中，由於高溫蠕變的作用，將使塗層系統在高溫下形成無應力狀態，而在服役冷卻階段，殘餘應力幾乎不受TGO生長的影響，TGO生長導致的非彈性變形才是塗層裂紋萌生的主要原因，而非傳統認為的高溫生長應力；（2）粗糙界面導致的應力集中主要集中在局部區域範圍，當內陶瓷層厚度足夠厚時（大於90 μm），TGO引起的應力集中區域與陶瓷層間粗糙界面的應力集中區域互不影響；（3）雙陶瓷層熱障塗層熱震壽命、剝離速率及失效模式均與兩層陶瓷層的厚度比密切相關，隨著外陶瓷層與內陶瓷層厚度比增加，塗層系統的失效模式逐漸從外陶瓷層的層狀剝落，轉變成陶瓷層間弱界面附近處的剝離；（4）表面裂紋密度是影響層級熱障塗層界面裂紋擴展行為的關鍵因素，當表面裂紋密度較低時，界面裂紋尖端驅動力對陶瓷層之間的材料性能和幾何參數十分敏感，即陶瓷層總厚度較厚、外陶瓷層的厚度比較高、或外陶瓷層模量較高時，均會使得界面裂紋驅動力增加，導致塗層過早剝落；然而，當垂直裂紋密度足夠高時，上述影響將會變的十分微弱；因此，在雙陶瓷層熱障塗層內主動預製足夠密集的垂直裂紋，可允許使用更厚和剛度更高的外陶瓷層，從而獲得更好的隔熱性能;（5）當粘結層具有中等程度的斷裂韌性時，陶瓷層內的垂直裂紋首先偏轉進入陶瓷層與粘接層界面，在該界面裂紋擴展過程中，粘接層內會發生垂直裂紋萌生，使兩個界面同時發生開裂，弱界面裂紋的競爭擴展可一定程度提高塗層應變容限。
