熱障塗層破壞理論與評價技術，周益春,楊麗,朱旺，著，科學出版社，2021
基本介紹
- 中文名：熱障塗層破壞理論與評價技術
- 作者：周益春,楊麗,朱旺
- 出版社：科學出版社
- 出版時間：2021年3月
- 頁數：790 頁
- ISBN：9787030682802
內容簡介,圖書目錄,
內容簡介
熱障塗層是先進航空發動機渦輪葉片等高溫部件的關鍵熱防護材料，塗層剝落是巨大的瓶頸，極其複雜的微結構、服役環境與失效行為，給塗層剝落分析的力學理論、實驗方法與試驗平台帶來諸多挑戰。本書圍繞熱力化耦合理論、性能表征與考核評估闡述了熱障塗層破壞理論與評估技術。本書分為三篇，共15章。第一篇即第1～6章介紹熱障塗層破壞理論，第二篇即第7～12章介紹熱障塗層表征技術，第三篇即第13～15章介紹熱障塗層評價技術。該書是作者及其團隊的系列研究成果，也包括國際國內最新研究成果的評述。
圖書目錄
序
緒論 1
0.1 熱障塗層及其製備方法 2
0.1.1 熱障塗層材料與結構 2
0.1.2 熱障塗層製備方法 4
0.2 熱障塗層剝落失效及其主要因素 7
0.2.1 熱障塗層服役環境 7
0.2.2 熱障塗層剝落失效及其主要因素 8
0.3 熱障塗層失效對固體力學的需求與挑戰 11
0.3.1 熱障塗層失效對固體力學的需求 11
0.3.2 熱障塗層失效對固體力學的挑戰 13
0.4 內容概述 17
參考文獻 18
第一篇 熱障塗層破壞理論
第1章 熱障塗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 基於小變形的熱力化耦合理論框架 27
1.2.1 基於小變形的應變與應力度量 27
1.2.2 基於小變形的應力應變本構關係 40
1.2.3 基於小變形的熱力耦合本構理論 44
1.2.4 基於小變形的熱力化耦合本構理論 51
1.3 基於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 質量守恆方程與力平衡方程 61
1.3.4 基於大變形的熱力耦合本構理論 65
1.3.5 基於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 渦輪葉片熱障塗層非線性有限元 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 自適應格線弱形式 95
2.1.7 初始條件和邊界條件 98
2.2 渦輪葉片熱障塗層有限元建模 99
2.2.1 渦輪葉片幾何特徵 99
2.2.2 渦輪葉片參數化建模 101
2.3 渦輪葉片格線劃分 111
2.3.1 非結構化格線劃分 111
2.3.2 渦輪葉片結構化格線 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 熱障塗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 界面氧化特徵及規律 129
3.1.2 界面氧化誘導的應力場 132
3.1.3 界面氧化誘導塗層的剝落 135
3.2 基於擴散反應的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 熱障塗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係 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 熱障塗層界面氧化物理非線性的耦合生長與破壞 188
4.1 熱障塗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 熱障塗層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熱障塗層熔融CMAS滲入深度的理論模型 232
5.1.2 EB-PVD熱障塗層中熔融CMAS滲入深度及影響因素實驗 241
5.1.3 EB-PVD熱障塗層CMAS滲入深度及影響因素 243
5.1.4 APS熱障塗層中CMAS熔融物的滲透 250
5.2 受腐蝕塗層的微結構演變、變形與成分流失 254
5.2.1 塗層微觀結構演變與變形 254
5.2.2 CMAS滲透與腐蝕熱障塗層的熱力化耦合理論 260
5.2.3 CMAS腐蝕熱障塗層Y元素分布規律的定量表征 266
5.3 CMAS腐蝕塗層過程中相結構表征與相場理論 274
5.3.1 塗層相結構演變的XRD表征 274
5.3.2 塗層微觀結構演變的透射電鏡表征 275
5.3.3 降溫過程受腐蝕塗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 熱障塗層的沖蝕失效機理 289
6.1 熱障塗層的沖蝕失效現象 289
6.1.1 熱障塗層失效現象 289
6.1.2 熱障塗層沖蝕率 290
6.1.3 各種塗層沖蝕性能的比較 290
6.1.4 熱障塗層沖蝕性能的一般規律 291
6.2 典型熱障塗層的沖蝕失效模式 293
6.2.1 EB-PVD熱障塗層的沖蝕失效模式 293
6.2.2 APS熱障塗層的沖蝕失效模式 295
6.2.3 PS-PVD熱障塗層的沖蝕失效模式 296
6.2.4 熱障塗層的CMAS沖蝕失效 297
6.2.5 影響熱障塗層沖蝕性能的因素 298
6.3 熱障塗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 熱障塗層沖蝕的量綱分析 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熱障塗層的數值模型 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 熱障塗層沖蝕失效機理與抗力指標 318
6.5.1 EB-PVD熱障塗層的沖蝕抗力指標 318
6.5.2 APS熱障塗層的沖蝕抗力指標 321
6.6 熱障塗層的沖蝕失效機製圖 322
6.6.1 從理論角度建立破壞機製圖 323
6.6.2 從數值模擬出發建立某一失效模式的破壞機製圖 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 熱障塗層表征技術
第7章 熱障塗層基本力學性能及其表征 337
7.1 EB-PVD熱障塗層彈性行為的原位測量 337
7.1.1 基於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 熱障塗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 黏結層和陶瓷塗層快速納米壓痕力學性能表征 349
7.2.4 基於反卷積法表征熱障塗層微觀結構相分布 353
7.3 熱障塗層的蠕變性能 356
7.3.1 EB-PVD熱障塗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 熱障塗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 熱障塗層斷裂韌性的表征 368
8.1 熱障塗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 不帶基底熱障塗層表面斷裂韌性的單邊切口梁法表征 369
8.1.3 熱障塗層表面斷裂韌性的三點彎曲-聲發射結合法表征 374
8.2 熱障塗層界面斷裂韌性的常規表征方法 380
8.2.1 熱障塗層界面斷裂韌性表征的理論模型 380
8.2.2 熱障塗層界面斷裂韌性的三點彎曲法表征 382
8.3 熱障塗層表界面斷裂韌性的壓痕法表征 384
8.3.1 熱障塗層表面斷裂韌性的壓痕法表征 384
8.3.2 熱障塗層界面斷裂韌性的壓痕法表征 386
8.4 熱障塗層界面斷裂韌性的屈曲法表征 388
8.4.1 熱障塗層界面斷裂韌性的屈曲實驗 388
8.4.2 熱障塗層界面斷裂韌性的屈曲有限元模擬 393
8.4.3 熱障塗層界面斷裂韌性的屈曲表征的理論模型 398
8.5 熱障塗層界面斷裂韌性的鼓包法表征 402
8.6 高溫下熱障塗層斷裂韌性的原位表征 410
8.6.1 高溫下熱障塗層表面斷裂韌性的壓痕法表征 410
8.6.2 高溫下熱障塗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 熱障塗層殘餘應力的表征 427
9.1 熱障塗層殘餘應力的產生 427
9.1.1 熱障塗層殘餘應力產生的原因 427
9.1.2 熱障塗層殘餘應力的影響因素 428
9.2 熱障塗層殘餘應力的模擬與預測 431
9.2.1 熱障塗層渦輪葉片應力場演化及危險區域預測 432
9.2.2 流固耦合的熱障塗層渦輪葉片應力場 436
9.3 熱障塗層殘餘應力的有損表征 451
9.3.1 曲率法表征 451
9.3.2 鑽孔法表征 454
9.3.3 環芯法表征 461
9.4 熱障塗層殘餘應力的無損表征 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層內殘餘應力的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 熱障塗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 高溫複雜環境的波導絲傳輸技術 488
10.1.3 基於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 熱障塗層關鍵失效模式及其聲發射信號時域特徵 491
10.2.2 基於特徵頻率的熱障塗層失效模式識別 493
10.2.3 基於聚類分析的模式識別特徵參數提取 495
10.3 基於小波與神經網路的裂紋模式智慧型識別方法 502
10.3.1 小波變換的基本原理與方法 503
10.3.2 熱障塗層損傷聲發射信號小波分析 512
10.3.3 基於神經網路的聲發射信號模式智慧型識別方法 517
10.4 熱障塗層關鍵損傷的定量評價 522
10.4.1 損傷定量的基本思路 522
10.4.2 表面裂紋密度定量分析 523
10.4.3 界面裂紋的定量分析 528
10.5 基於聲發射檢測的熱障塗層失效機理 531
10.5.1 熱循環失效機理 531
10.5.2 高溫CMAS腐蝕失效機理 537
10.5.3 燃氣熱衝擊失效機理 544
10.6 總結與展望 549
10.6.1 總結 549
10.6.2 展望 550
參考文獻 550
第11章 熱障塗層微結構演變的復阻抗譜表征 555
11.1 復阻抗譜表征的基本原理 555
11.1.1 復阻抗原理 555
11.1.2 熱障塗層的復阻抗譜回響分析 556
11.2 熱障塗層復阻抗譜特性的數值模擬 562
11.2.1 復阻抗譜的有限元原理 562
11.2.2 熱障塗層復阻抗譜的有限元模型 564
11.2.3 熱障塗層復阻抗譜特性 565
11.2.4 非對稱電極誤差修正模型 573
11.3 熱障塗層復阻抗譜測試參數最佳化 575
11.3.1 有限元模擬與阻抗測試 575
11.3.2 交流電壓幅值的最佳化值 576
11.3.3 測試溫度的影響與最佳化值 578
11.3.4 電極尺寸的影響 582
11.3.5 小結 584
11.4 熱障塗層界面氧化的復阻抗譜表征 584
11.4.1 熱障塗層界面氧化的等效電路 584
11.4.2 熱障塗層復阻抗譜測試 586
11.4.3 界面氧化的復阻抗譜表征 587
11.5 熱障塗層CMAS腐蝕的復阻抗譜表征 594
11.5.1 CMAS、熱障塗層及其CMAS腐蝕的復阻抗譜測試 594
11.5.2 CMAS的復阻抗譜特性 595
11.5.3 熱障塗層CMAS腐蝕的復阻抗譜回響 597
11.6 總結與展望 601
11.6.1 總結 601
11.6.2 展望 601
參考文獻 602
第12章 熱障塗層表界面損傷與內部孔隙的無損檢測 606
12.1 熱障塗層應變場的數字圖像相關法表征 606
12.1.1 數字圖像相關法表征應變場的基本原理 606
12.1.2 數字散斑的製作 608
12.1.3 數字圖像相關法與聲發射結合的失效判據分析方法 609
12.1.4 熱障塗層高溫應變場的數字圖像相關法表征 611
12.1.5 熱障塗層高溫CMAS腐蝕應變場的數字圖像相關法表征 617
12.1.6 不同塗覆量下CMAS腐蝕熱障塗層橫截面應變場的演變 622
12.1.7 CMAS腐蝕下熱障塗層表面應變場的演變 626
12.2 基於X射線CT法的火山灰腐蝕熱障塗層內部孔隙表征 629
12.2.1 CT法表征內部結構的原理 629
12.2.2 熱障塗層孔隙提取與CT圖像的三維重建 631
12.2.3 基於CT法的火山灰腐蝕熱障塗層內部孔隙演化規律表征 633
12.3 紅外熱成像無損檢測技術及其套用現狀 641
12.3.1 紅外熱成像技術的原理 641
12.3.2 基於紅外熱成像技術的損傷檢測 643
12.4 總結與展望 661
12.4.1 總結 661
12.4.2 展望 662
參考文獻 662
第三篇 熱障塗層評價技術
第13章 渦輪葉片熱障塗層隔熱效果 669
13.1 隔熱效果理論分析 669
13.1.1 渦輪葉片傳熱方式 671
13.1.2 渦輪葉片熱障塗層隔熱效果的定義 672
13.1.3 隔熱效果無量綱化 673
13.2 隔熱效果數值模擬 676
13.2.1 耦合換熱 677
13.2.2 湍流模型 680
13.2.3 熱障塗層隔熱效果數值模擬 681
13.3 隔熱效果實驗方法 685
13.3.1 渦輪葉片服役環境模擬裝置 685
13.3.2 渦輪葉片實時測溫技術 688
13.3.3 渦輪葉片熱障塗層隔熱效果實驗研究 692
13.4 隔熱效果影響因素 696
13.4.1 材料參數影響因素 697
13.4.2 服役環境影響因素 699
13.4.3 冷卻結構影響因素 700
13.5 總結與展望 701
參考文獻 702
第14章 熱障塗層可靠性評價 707
14.1 熱障塗層可靠性基本理論 707
14.1.1 性能、結構與環境參數的隨機性及其分布規律 707
14.1.2 可靠性定義 709
14.1.3 可靠度指標及其幾何意義 711
14.1.4 可靠性靈敏度 713
14.2 熱障塗層可靠性計算方法 714
14.2.1 二階矩法 714
14.2.2 Monte-Carlo法 717
14.2.3 均值法與改進均值法 719
14.2.4 基於軟體實現的可靠性數值求解 721
14.3 熱障塗層熱循環應力作用下的可靠性預測 723
14.3.1 失效準則及極限狀態方程 723
14.3.2 基本變數分布規律 724
14.3.3 塗層熱循環剝落失效機率預測 724
14.3.4 可靠性靈敏度分析 726
14.4 熱障塗層界面氧化的可靠性評價 727
14.4.1 失效準則 727
14.4.2 界面氧化影響參數的隨機統計特徵分析 728
14.4.3 基於二次二階矩的界面氧化可靠性與靈敏度分析 729
14.5 熱障塗層沖蝕失效的可靠性評價 731
14.5.1 渦輪葉片熱障塗層沖蝕率模型與可靠性分析準則 731
14.5.2 渦輪葉片熱障塗層沖蝕可靠性計算方法 733
14.5.3 影響沖蝕失效各參數的統計分析 739
14.5.4 渦輪葉片熱障塗層沖蝕失效機率預測與靈敏度分析 740
14.6 總結與展望 742
14.6.1 總結 742
14.6.2 展望 742
參考文獻 743
第15章 熱障塗層服役環境試驗模擬裝置 747
15.1 熱障塗層熱載荷的試驗模擬裝置 747
15.1.1 高溫自動熱循環的實驗模擬裝置 748
15.1.2 CMAS腐蝕高溫接觸角測量裝置 749
15.2 熱障塗層熱力聯合載入裝置與熱力屈曲失效機理 753
15.2.1 熱力聯合載入實驗裝置 753
15.2.2 熱力載荷作用下熱障塗層屈曲失效模式 755
15.3 渦輪葉片熱障塗層熱力化耦合靜態試驗模擬裝置 761
15.3.1 渦輪葉片熱障塗層熱力化耦合試驗模擬與測試裝置總體設計 761
15.3.2 幾種典型的實驗裝置功能介紹 764
15.3.3 熱力化耦合模擬實驗與實時測試方法 768
15.4 渦輪葉片熱障塗層熱力化耦合動態試驗模擬與測試裝置 774
15.4.1 渦輪葉片熱障塗層熱力化耦合動態試驗模擬與測試裝置總體設計 774
15.4.2 熱力化耦合動態試驗模擬與測試裝置主要進展 775
15.4.3 熱力化耦合動態實驗模擬與測試方法與效果 782
15.5 渦輪葉片熱障塗層高溫振動試驗模擬裝置 785
15.5.1 高溫振動裝置 785
15.5.2 熱障塗層高溫振動實驗 785
15.6 總結與展望 786
15.6.1 總結 786
15.6.2 展望 787
參考文獻 787
