熱生長氧化物誘發的熱障塗層界面裂紋擴展

《熱生長氧化物誘發的熱障塗層界面裂紋擴展》是依託西安交通大學，由范學領擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：熱生長氧化物誘發的熱障塗層界面裂紋擴展
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：范學領
• 依託單位：西安交通大學

中文摘要

熱生長氧化物誘發的界面破壞是影響熱障塗層（TBC）熱力學性能和耐久性的關鍵因素。高溫工作時，陶瓷層與粘結層之間的熱生長氧化物增厚會在熱生長氧化層（TGO）內產生殘餘應力並積蓄相當高的應變能密度，加速界面處裂紋的萌生及擴展，顯著降低TBC的結構完整性和可靠性。本項目以熱生長氧化物誘發的TBC界面裂紋擴展規律為研究對象，首先建立分析異質、曲界面裂紋擴展的有限元重合格線法，以能同時處理裂紋和異質材料所帶來的強、弱不連續性問題；更進一步，針對TBC結構熱力耦合服役環境及熱生長氧化物與相鄰基元高周期性嚙合所形成的曲界面特點，採用重合格線法數值模擬了TBC界面裂紋擴展直至剝落失效的全過程，充分展示了改進後的重合格線法在處理異質、曲界面裂紋擴展問題時的獨特優勢，揭示了熱力耦合作用及熱生長氧化物形貌對TBC界面裂紋擴展的影響規律，為燃氣輪機高溫葉片熱障塗層強度評價提供基礎。

結題摘要

熱生長氧化物誘發的界面破壞是影響熱障塗層熱力學性能和耐久性的關鍵因素。本項目採用數值與試驗相結合的方法，研究了複雜界面形貌、熱生長氧化層（TGO）的損傷狀況及粘結層塑性、硬化參數等因素對塗層失效的影響機制；還分析了陶瓷塗層表面垂直裂紋的斷裂力學行為及其對界面脫粘的影響。 研究表明：（1）陶瓷塗層與粘結層間的複雜界面形貌導致應變能釋放率的振盪分布，並影響表面垂直裂紋的擴展路徑，使其向應力集中程度高的區域偏折。TGO的損傷狀態對表面裂紋的擴展行為有著決定性的影響。初始界面缺陷是表面裂紋貫穿相對較軟塗層的必要條件。而對於損傷嚴重的TGO而言，在裂紋向界面逼近過程中，其裂紋擴展驅動力不斷增大。在此過程中，彈性模量失配（Dundurs 參數）起到了決定性的作用。（2）表面裂紋間距及裂紋長度是影響陶瓷塗層表面垂直裂紋裂尖奇異性及擴展驅動力的兩個關鍵因素。當陶瓷塗層內僅有一個占主導地位的表面垂直裂紋時（c→∞），應力強度因子最大；隨著表面裂紋間距減小（c→0），應力強度因子逐漸減小。（3）表面裂紋間距對界面裂紋萌生及擴展的影響可根據程度的不同分為三個區域：區域I，表面裂紋間距約小於10倍薄膜厚度，對界面裂紋萌生及擴展具有非常顯著的影響。當裂紋間距大小位於此區間時，界面裂紋萌生及擴展驅動力明顯減弱，有助於抑制界面裂紋的萌生及塗層脫粘；區域II，表面裂紋間距與薄膜厚度比約在10和20之間，表面裂紋對界面裂紋的影響逐漸減弱，當裂紋間距達到約20倍薄膜厚度時，其影響基本可以忽略不計。因此，20倍薄膜厚度被定義為臨界表面裂紋間距；區域III，表面裂紋間距大於20倍薄膜厚度，其影響可以忽略，結果等價於塗層內僅有一主導表面裂紋，此時容易導致伴隨界面裂紋的萌生。因而，適當增加表面裂紋密度有助於降低塗層斷裂及脫落的機率，對延長塗層壽命、提高塗層耐久性具有重要意義。