TBC熱題目背景介紹

1、一、概述國內(nèi)外研究狀況燃氣渦輪發(fā)動機的主要發(fā)展方向是提高發(fā)動機渦輪前燃燒溫度、增加推重比和提升渦輪發(fā)動機部件在包括腐蝕和氧化等嚴(yán)酷服役環(huán)境下的熱效率。隨著發(fā)動機燃燒溫度、推重比和熱效率的提高，發(fā)動機熱端部件，特別是燃燒室中的燃氣溫度和燃氣壓力不斷提高，而現(xiàn)有的高溫合金和冷卻技術(shù)難以滿足需要，熱障涂層（Thermal Barrier Coatings,TBCs）技術(shù)1, 2得到了廣泛的重視。熱障涂層是金屬緩沖層或粘結(jié)層和耐熱性、隔熱性好的陶瓷熱保護功能涂層組成的“層和型”金屬陶瓷復(fù)合涂層系統(tǒng)。表面陶瓷工作層是借助于基體和陶瓷層之間的金屬粘結(jié)層與高溫基體結(jié)合。此中間過渡層具有優(yōu)異的耐高溫、抗氧化性

2、能，熱膨脹系數(shù)介于基體金屬與表面陶瓷層之間，減少了陶瓷涂層與合金基體之間熱實配問題，可減緩界面應(yīng)力，提高涂層結(jié)合強度、抗熱震性能和工作壽命。隨著燃氣溫度的不斷提高，如何獲得性能更優(yōu)異、壽命更持久的熱障涂層已經(jīng)成為研究人員迫切需要解決的重大難題。熱障涂層主要包括雙層系統(tǒng)、多層系統(tǒng)和梯度系統(tǒng)1。這三種結(jié)構(gòu)形式各有特點，針對不同的環(huán)境要求，可以采用不同的結(jié)構(gòu)體系。多數(shù)實際應(yīng)用的熱障涂層采用雙層結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，這種結(jié)構(gòu)制備工藝相對簡單、耐熱性強，但由于涂層熱膨脹系數(shù)在界面躍變較大，在熱載荷作用下涂層內(nèi)容易積聚較大的應(yīng)力，因此抗熱震性能難以得到進一步提高。為了緩解涂層內(nèi)的熱效應(yīng)匹配問題，提高涂層整

3、體抗氧化及熱腐蝕能力，發(fā)展了多層結(jié)構(gòu)系統(tǒng)（圖1(b)）。其每一層都具有各自的特定功能，外層封閉層和阻擋層主要用于阻擋燃氣腐蝕產(chǎn)物的侵蝕，擴散阻擋層則用于降低氧原子進一步向涂層內(nèi)擴散。多層體系結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為更為復(fù)雜，制備也相對困難，付諸實際運用很少。日本學(xué)者新野正之、平井敏和渡邊龍三等于1987年首次提出了兩種或多種金屬與陶瓷材料復(fù)合3，制備一種在結(jié)構(gòu)和組分上呈連續(xù)梯度變化的新型梯度化結(jié)構(gòu)材料，即功能梯度材料（Functionally Graded Materials，F(xiàn)GM）的新概念。這種梯度涂層消除了層狀結(jié)構(gòu)的明顯層間界面，使得涂層的力學(xué)性能由基體向陶瓷表層連續(xù)過渡，從而避免了熱膨脹系數(shù)等不

4、匹配造成的陶瓷層過早剝落現(xiàn)象。由于高溫環(huán)境下，梯度涂層內(nèi)彌散分布MCrAlY金屬組元氧化對系統(tǒng)壽命的影響機理尚不清楚，且功能梯度熱障涂層的制備工藝更為復(fù)雜，工藝優(yōu)化參數(shù)未統(tǒng)一，在渦輪發(fā)動機葉片等高溫部件上得到實際運用還有許多問題需要解決。(a) (b) (c)圖1熱障涂層的基本設(shè)計思想就是利用陶瓷的高耐熱性、抗腐蝕性和低導(dǎo)熱性，實現(xiàn)對基體合金材料的保護，普通金屬材料已經(jīng)無法滿足要求。NASA對幾種可能適用于高溫隔熱涂層使用的陶瓷材料進行的對比研究表明ZrO2的綜合性能最好。ZrO2具有陶瓷材料中最接近金屬材料的熱膨脹系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)為Al2O3的1/100左右，具有較高的抗彎強度和斷裂韌性，尤其

5、是部分穩(wěn)定的ZrO2特有的微裂紋和相變增韌機制，使得抗熱震性能非常好。但ZrO2在通常使用溫度范圍內(nèi)，會發(fā)生馬氏體相變，伴隨有4%左右的體積變化4，會增加涂層內(nèi)的應(yīng)力。在熱循環(huán)狀態(tài)下這種相變將導(dǎo)致ZrO2涂層的碎裂。為了使熱障涂層能夠適應(yīng)這一相變溫度左右的熱循環(huán)工作環(huán)境，延長涂層壽命，在ZrO2中添加少量的氧化物穩(wěn)定劑可以起到控制這種相變發(fā)生的作用。目前應(yīng)用廣泛的穩(wěn)定劑是Y2O35。尋求更高性能的陶瓷表層材料和更好的氧化物穩(wěn)定劑，一直是熱障涂層研究中的重要和熱點方向。為了緩解陶瓷涂層和基體的熱不匹配問題，同時也為了提高基體抗氧化性，在基體和陶瓷涂層間加了一層MCrAlY金屬粘結(jié)層，這層涂層成分

6、可以依據(jù)使用條件的不同而調(diào)整，不受基體成分的限值，而且厚度也可以調(diào)控。MCrAlY涂層的抗氧化機理一般是通過高溫氧化環(huán)境中，在表面首先形成Al2O3保護性氧化層以阻止涂層的進一步氧化，達到保護基體的目的。MCrAlY粘結(jié)層的成分對粘結(jié)層在熱循環(huán)過程中熱氧化層的生長速度、成分、完整性、與基體的結(jié)合力和剝落行為有決定作用，因此其選擇對熱障涂層的使用壽命非常重要。目前飛機發(fā)動機葉片使用較多的是抗氧化和抗熱腐蝕綜合性能較好的NiCoCrAlY粘結(jié)層6。先進TBCs體系的首要設(shè)計目標(biāo)是提高耐久性，尤其是防止陶瓷頂層碎裂。改進涂層性能、預(yù)測涂層壽命，首先必須要了解熱障涂層在熱循環(huán)過程中的失效行為和失效機制

7、。導(dǎo)致涂層碎裂的因素很多，包括外來粒子入侵、陶瓷頂層開裂、粘結(jié)層與陶瓷層界面開裂等。前兩類因素通常導(dǎo)致TBCs連續(xù)或部分退化，而界面開裂導(dǎo)致TBC的主要部分甚至整體碎裂，更應(yīng)引起重點關(guān)注。雖然陶瓷層中的相變、燒結(jié)等是促進開裂的重要因素，但與粘結(jié)層相關(guān)的界面開裂問題對TBCs的壽命影響更大。不管用何種工藝制備的TBCs系統(tǒng)，在高溫應(yīng)用環(huán)境下，在陶瓷涂層和粘結(jié)層界面上都將形成另外一層新的氧化層（Thermally Grown Oxide，TGO），其主要成分是Al2O3。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，氧化層厚度會逐漸增厚，而TGO和陶瓷層的界面會限制這種體積變化，其內(nèi)容易形成微裂縫和應(yīng)力高度集中，從而其附近

8、很容易導(dǎo)致陶瓷涂層剝落。因此現(xiàn)今使用的多種TBCs體系雖然沒有一個統(tǒng)一確定的失效部位，但熱障涂層的失效通常發(fā)生在TBC界面及其附近，TGO是整個體系中最薄弱的環(huán)節(jié)。熱障涂層的高溫失效行為非常復(fù)雜，影響涂層使用壽命的因素也非常多樣，包括涂層中孔隙與微裂紋的數(shù)量、類型及其分布情況，熱循環(huán)過程中應(yīng)力的大小和分布情況，粘結(jié)層的抗氧化性能，陶瓷層相結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性能，各層界面的化學(xué)相容性，熱循環(huán)導(dǎo)致粘結(jié)層發(fā)生的蠕變行為，金屬基體的粗糙度以及涂層材料的本征性能等等。但是，以上種種因素對涂層使用壽命的影響歸根結(jié)底都是通過影響熱應(yīng)力大小、方向和分布而發(fā)揮作用的。在眾多材料和加工等影響變量中，TGO附近的局部應(yīng)力

9、和界面強度是導(dǎo)致失效的兩個最重要的因素7-9。應(yīng)力場分析是熱障涂層破壞機理研究的基礎(chǔ)，主要包括制備過程中的殘余應(yīng)力及熱循環(huán)過程的應(yīng)力生長，如TGO形成過程中和之后系統(tǒng)中產(chǎn)生的熱生長應(yīng)力，了解其特性對TBCs系統(tǒng)的各種壽命預(yù)測模型的建立具有重要意義。能精確地定量分析結(jié)合材料界面區(qū)域的應(yīng)力場分布，是準(zhǔn)確分析和評價涂層材料界面的力學(xué)行為以達到對此類涂層材料或結(jié)構(gòu)形式的結(jié)合強度和壽命評價及其優(yōu)化設(shè)計目的的關(guān)鍵。近幾十年來諸多研究者從不同途徑如理論分析、數(shù)值計算、實驗測試等入手開展了很多研究。對于結(jié)合材料如薄膜涂層結(jié)構(gòu)形式的研究，由于界面的存在，理論分析比均質(zhì)材料復(fù)雜很多。比較早的研究可以追溯到1955

10、年Rongved10分析了二維和三維的兩個半無限體結(jié)合材料內(nèi)部受集中力作用的問題，通過引入一個和力作用點關(guān)于界面對稱的鏡像點，在滿足界面連續(xù)性條件的基礎(chǔ)上求得了理論解，可以退化到半無限體的Mindlin解11。Dundurs和Hetenyi12求解了兩個半無限體以無摩擦接觸方式結(jié)合內(nèi)部受點力作用的理論解。由于必須滿足界面上面力和位移連續(xù)性的要求，因此尋求該問題理論解時常常采用積分變換法。Bogy13在分析不同材料參數(shù)和幾何參數(shù)條件下的界面端奇異應(yīng)力場特性時采用了梅林變換；Burmister14-16利用Fourier變換求解了雙層彈性體問題，丁皓江17進一步擴展至多層彈性體問題。另外還有諸多學(xué)

11、者例如Fares和Li18、Yu和Sanday19、Walpole20等求出了不同情況下集中力作用于各向同性結(jié)合異材問題的格林函數(shù)。盡管格林函數(shù)可以通過數(shù)學(xué)方法如快速Fourier變換等計算出，但由于涉及到無窮積分，解本身已很復(fù)雜，并且準(zhǔn)確性也有待驗證，而且積分變換常遇到求解逆變換的問題，通常只在一些特殊情況下才能求得顯示解。對于單層或多層薄膜涂層這種層狀系統(tǒng)，許多學(xué)者通過多種途徑尋求不同問題的格林函數(shù)以進一步分析更復(fù)雜的問題，或者作為在無限域或半無限域具有特殊優(yōu)勢的邊界元法的基本解進行數(shù)值分析。例如狀態(tài)空間法21, 22，但由于涉及的數(shù)學(xué)算子通常需要特定的邊界條件才能運算，受限較多；借助傅立

12、葉或Hankel變換的矩陣轉(zhuǎn)換法應(yīng)用較多，由于分析中僅保持了一次項，避免了傅立葉或Hankel的逆變換，但精確度受層厚影響較大；另外還有轉(zhuǎn)制矩陣法、剛度矩陣法、柔度矩陣法、薄層理論法等等23-26，不再一一描述。還有一些學(xué)者采用和電磁場理論中相似的一種途徑鏡像點方法來研究異材結(jié)合材料問題，例如上面提到的Rongved10針對集中力作用于兩半無限體結(jié)合材料內(nèi)部時的研究。從上面可以看出，目前針對含有界面的涂層系統(tǒng)理論分析還存在一些問題，例如解的完備性不足，或者針對性太強應(yīng)用價值低等等。涂層測試方法可分為定性檢測和定量檢測兩大類：定性方法有柵格試驗、杯突試驗、熱震試驗、銼磨法和超聲法等；定量測試有粘

13、結(jié)拉伸法、壓痕法、剪切試驗和劃痕試驗等。定性法以經(jīng)驗判斷和相對比較為主，結(jié)果一般很難給出力學(xué)參量。定量測量的主要困難在于尋求試驗的試件形狀和加載方式，使得界面上能夠產(chǎn)生不同的應(yīng)力狀態(tài)，即在不同的應(yīng)力狀態(tài)比下發(fā)生破壞。目前精確測定應(yīng)力有效的手段是光激發(fā)熒光譜技術(shù)（Photo-stimulated Luminescence Spectroscopy, PSLS）。由于數(shù)值計算更容易修改涂層厚度和材料物性參數(shù)，國內(nèi)外在數(shù)值模擬分析涂層結(jié)構(gòu)應(yīng)力場方面做了許多研究，主要采用有限元法、邊界元法和界面元法等數(shù)值方法對涂層構(gòu)件應(yīng)力場進行了計算分析。比較早的如1974年Kennedy和Ling27模擬分析了球形

14、壓頭作用于層狀體表面的壓痕測試實驗，隨后一些相似的分析有Kral和Komvopoulos28-30的硬質(zhì)表層效應(yīng)研究，Djabellaa和Arnella31對平面和空間赫茲分布壓力作用下的膜基系統(tǒng)進行了有限元分析。很多研究者還借助有限元途徑從不同角度分析了影響薄膜涂層材料界面結(jié)合強度的一些因素，如Peng和Bhushan32通過建立三維數(shù)值模型進行了粗糙表面的彈塑性層狀半無限體在不同環(huán)境下的接觸分析，研究了層基材料剛度、層厚、外力對接觸分析結(jié)果的影響，并提出了減小摩擦、粘滯和磨損的優(yōu)化參數(shù)；Tian和Saka33通過有限元途徑分析了不同摩擦系數(shù)時雙層薄膜受滑動接觸的應(yīng)力和應(yīng)變分布情形，認為表面

15、變形、初始屈服點以及界面應(yīng)力應(yīng)變都和摩擦系數(shù)緊密相關(guān)。另外一些數(shù)值計算途徑如邊界元法，對某些無限域以及半無限域問題，由于邊界元自身特點在計算效率和準(zhǔn)確性相對有限元法提高很多，同樣在薄膜涂層材料方面有許多的研究。美國國家航空航天局（NASA）在超級計算機上利用 Marc 軟件仿真熱障涂層的溫度場及應(yīng)力場，進而探究熱障涂層失效機理。但在實際中，數(shù)值計算尚存在計算精度和效率較低的問題，而且計算費時費力效率低。另外由于界面上可能存在的界面端奇異性及應(yīng)力不連續(xù)性等，往往還需對界面上的應(yīng)力分布即應(yīng)力場有一個全面的把握，而這項工作卻是難以僅靠數(shù)值計算來完成的，必要的理論分析結(jié)合是不可避免的。涂覆熱障涂層的部

16、件能否安全可靠服役，很大程度上取決于TBC的壽命。建立針對某一具體服役條件下熱障涂層的壽命預(yù)測模型，對渦輪發(fā)動機的設(shè)計和發(fā)展有著重要的指導(dǎo)意義。但是影響涂層壽命的因素非常復(fù)雜，除了基體材料和粘結(jié)層的成分、制備工藝、微觀組織結(jié)構(gòu)外，還有使用環(huán)境溫度和腐蝕程度、碰撞損傷等等。建立壽命評估及預(yù)測模型需要了解熱障涂層系統(tǒng)的力學(xué)行為，并能估測涂層失效的時間。壽命預(yù)測系統(tǒng)的建立一般包括判斷關(guān)鍵的失效機理、建立應(yīng)力或應(yīng)變彈性場模型以及根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)和相關(guān)的失效標(biāo)準(zhǔn)建立最終的壽命評估準(zhǔn)則。目前提出的各種壽命預(yù)測模型主要是根據(jù)實驗結(jié)果的經(jīng)驗或半經(jīng)驗公式34。熱障涂層服役過程中，不斷的經(jīng)歷加熱冷卻加熱的工作環(huán)境。每

17、次熱循環(huán)中，界面氧化、高溫?zé)Y(jié)及熱不匹配等因素引起的殘余應(yīng)力不斷對涂層系統(tǒng)造成損傷。當(dāng)損傷變量累積達到某一程度后，定義為熱障涂層失效。研究人員從損傷變量的變化和循環(huán)累積的角度進行壽命評估，如Busso等34利用有限元建立熱障涂層“波浪”模型，假定大氣等離子噴涂TBCs系統(tǒng)內(nèi)的殘余應(yīng)力主要由高溫氧化、燒結(jié)、材料參數(shù)不匹配引起，疲勞損傷主要收系統(tǒng)內(nèi)的離面應(yīng)力的影響，而提出的基于連續(xù)損傷力學(xué)的壽命預(yù)測模型。Liu等35結(jié)合熱震試驗及有限元分析，提出隨著循環(huán)次數(shù)的增加，熱循環(huán)應(yīng)力不斷增加，所帶來的損傷不斷累積，最終也建立了一種熱障涂層復(fù)雜載荷可用單一參數(shù)來表達的壽命預(yù)測模型。另外還有基于特定參量監(jiān)測和

18、界面氧化等不同角度提出的壽命預(yù)測模型36, 37。但熱障涂層壽命預(yù)測模型的建立是一個長期而又復(fù)雜的過程，要完全定量分析熱障涂層的失效過程并對其壽命進行預(yù)測和評估需要諸多重視并長期堅持。參考文獻：1.Padture, N. P.; Gell, M.; Jordan, E. H., Thermal Barrier Coatings for Gas-Turbine Engine Applications. Science 2002, 296 (5566), 280-284.2.周益春; 劉奇星; 楊麗, et al., 熱障涂層的破壞機理與壽命預(yù)測. 固體力學(xué)學(xué)報 2010, (5), 504-53

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