热—力联合作用下热障涂层界面破坏分析

论文摘要

热障涂层（Thermal Barrier Coatings，简称TBCs）是一种陶瓷涂层，具有优良的抗高温氧化和非常低的热传导系数，它通过粘结层沉积在耐高温金属或超合金的表面，可以有效降低被保护基材的服役温度，减轻其热冲击载荷，降低对冷却空气的需求，提高器件的热效率，从而被广泛应用于航空航天、化工、冶金和能源等领域。热障涂层与基底之间的界面结合和破坏问题一直是热障涂层研究工作中的重点研究内容。由于热障涂层系统材料参数的不匹配，陶瓷涂层通常受到压缩应力、拉伸应力和弯曲剪切应力的共同作用，最终与基底相剥离，从而失去保护基底的功能和意义。因此本文研究工作的重点是首先分析和预测了热循环下热障涂层应力场变化，为后面章节分析涂层界面破坏提供了基础；其次是在热力联合作用下对热障涂层界面破坏过程进行了实验和理论分析。本论文主要研究内容如下：第一，本文建立了在等离子体喷涂工艺制备样品后的冷却过程中热障涂层残余应力场的理论模型，得到了一个解析表达式。通过应用等离子体喷涂参数，本文正确预测了在制备后原始样品内的残余应力场。然后在考虑了热循环温度、材料的弹塑性变形和蠕变变形特性、热循环次数和系统弯矩变形等因素的影响下，本文推导了热循环下热障涂层多层系统的本构方程，得到了热循环中热障涂层应力场的解析表达式，并用该解析表达式预测了热障涂层应力场，其结果与文献实验测试结果相符得很好。然后还分析了各层应力场的变化规律、系统残余变形和热循环次数之间的关系。第二，本文分析和讨论了高温热循环条件下热障涂层屈曲失效机制。在考虑温度和载荷效应影响下，本文建立了一阶剪切理论分析模型，利用变分原理和欧拉方程推导出了含涂层界面穿透裂纹的屈曲方程和定解条件；然后采用状态空间法得到了屈曲控制方程及其封闭形式解，分析了热障涂层厚度、界面裂纹长度和位置、系统温度对TBC系统屈曲破坏的影响。计算结果表明：裂纹长度对热障涂层屈曲破坏有至关重要的影响。第三，本文采用等离子体喷涂工艺分别制备了含内埋穿透脱层、表面裂纹等缺陷的实验样品，并利用万能试验机、氧乙炔加热装置、显微观察装置和热电偶测温装置等仪器，对热障涂层的屈曲、弯曲和拉伸破坏机制进行了深入的实验研究。其主要内容有：（1）通过控制加载载荷和温度，本文首次得到了含界面脱层（缺陷）的热障涂层屈曲破坏实验现象和相应的临界破坏条件，同时也充分证实了在应用过程中热障涂层系统确实能发生屈曲破坏。应用Suo-Hutchinson双层理论模型，本文得到了热障涂层界面屈曲破坏的断裂韧性、能量释放率和应力强度因子，并对涂层屈曲破坏机制进行了详细地讨论。（2）对于热力联合作用下热障涂层界面弯曲破坏，本文主要得到了两种不同类型的弯曲破坏模式Ⅰ和Ⅱ，同时对两种弯曲模式进行较为详细的阐述和解释。通过SEM和EDX观察和分析，本文分别建立了两种弯曲模式的破坏过程和机制。然后应用Suo-Hutchinson双层理论模型，本文得到了热障涂层界面弯曲破坏的断裂韧性、能量释放率和应力强度因子。（3）对于热力联合作用下界面拉伸破坏，本文观察了涂层内横向裂纹萌发、形成、扩展和饱和全过程，并记录了涂层表面裂纹数量与拉伸载荷（位移）之间关系。通过扫描电子显微镜和能谱分析，本文确定了各种界面拉伸破坏模式的断裂位置，同时建立了热障涂层界面拉伸破坏机制模型。应用Suo-Hutchinson双层理论模型和剪切滞后理论模型，得到了热力联合作用下热障涂层界面断裂韧性、能量释放率和应力强度因子。总之，本论文的研究工作较为系统地分析了热障涂层界面破坏过程和机制，为今后的热障涂层研究和应用提供重要的实验基础和理论帮助。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1.1 热障涂层发展背景
• §1.2 热障涂层概念和应用
• §1.2.1 热障涂层发展历程
• §1.2.2 热障涂层的具体概念
• §1.2.3 梯度功能热障涂层（FGM-TBCs）简介
• §1.3 热障涂层制备工艺及微观结构
• §1.3.1 等离子体喷涂（APS）
• §1.3.2 电子束物理气相沉积（EB-PVD）
• 2基热障陶瓷涂层（SPS法）'>§1.3.3 纳米ZrO₂基热障陶瓷涂层（SPS法）
• §1.4 热障涂层的失效机理分析
• §1.5 本论文的选题依据和主要内容
• §1.5.1 本论文选题依据
• §1.5.2 本论文主要研究内容和结构安排
• 第二章 热障涂层平板模型的应力场预测分析
• §2.1 引言
• §2.2 在制备后冷却过程中热障涂层残余应力场预测
• §2.2.1 力学模型
• §2.2.2 热障涂层残余应力场公式推导
• §2.2.3 算例分析
• §2.2.4 小结
• §2.3 热循环下热障涂层系统平板模型应力场分析
• §2.3.1 模型定义和解析解推导
• §2.3.2 氧化层增厚
• §2.3.3 过渡层和氧化层的屈服强度
• §2.3.4 计算结果和讨论
• §2.4 本章小结
• 第三章 热力联合作用下热障涂层界面屈曲破坏理论分析
• §3.1 引言
• §3.2 脱层梁一阶剪切理论分析模型
• §3.2.1 定义模型
• §3.2.2 平衡方程
• §3.2.3 边界条件
• §3.2.4 状态空间公式及其求解
• §3.2.5 沿厚度方向的温度场
• §3.3 计算结果和讨论
• §3.3.1 温度梯度和压缩载荷对屈曲破坏的影响
• §3.3.2 无量纲界面裂纹长度对屈曲破坏的影响
• §3.3.3 界面裂纹位置对屈曲破坏的影响
• §3.3.4 陶瓷涂层厚度对屈曲破坏的影响
• §3.4 本章小结
• 第四章 热力联合作用下热障涂层界面屈曲破坏实验分析
• §4.1 引言
• §4.2 热障涂层屈曲破坏实验分析
• §4.2.1 制备含界面脱层的热障涂层样品
• §4.2.2 实验方法和微结构形貌观察
• §4.2.3 断裂韧性研究
• §4.3 实验结果和讨论
• §4.3.1 典型的屈曲脱层破坏模式
• §4.3.2 典型的边界脱层破坏模式
• §4.3.3 热障涂层整体屈曲破坏模式
• §4.4 本章小结
• 第五章 热力联合作用下热障涂层界面弯曲破坏分析
• §5.1 引言
• §5.2 热障涂层界面弯曲破坏实验部分
• §5.2.1 制备热障涂层样品
• §5.2.2 实验方法
• §5.3 实验结果和讨论
• §5.3.1 弯曲破坏模式Ⅰ
• §5.3.2 弯曲破坏模式Ⅱ
• §5.4 热障涂层界面弯曲破坏机制分析
• §5.4.1 弯曲破坏模型演化示意图
• §5.4.2 应用于弯曲破坏模式Ⅰ的解析模型
• §5.4.3 应用于弯曲破坏模式Ⅱ的解析模型
• §5.5 本章小结
• 第六章 热力联合作用下热障涂层界面拉伸破坏实验分析
• §6.1 引言
• §6.2 热障涂层界面拉伸破坏实验分析
• §6.2.1 实验样品制备
• §6.2.2 实验方法
• §6.3 结果分析和讨论
• §6.3.1 拉伸应力—应变曲线分析
• §6.3.2 拉伸破坏过程和形貌观察
• §6.3.3 高温下热障涂层界面拉伸破坏机制分析
• §6.3.4 拉伸界面破坏理论分析
• §6.3.5 拉伸过程中横向裂纹数量分析
• §6.4 本章小结
• 第七章 全文总结和展望
• §7.1 工作总结
• §7.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 论文发表情况及其成果