熱障涂層界面破壞實時測試分析及實驗模擬系統(tǒng)的研制.pdf

1、熱障涂層(Thermal barrier coatings,簡稱TBCs)以其良好的隔熱、耐磨、耐蝕性,已被廣泛應用在工業(yè)或航空燃氣輪機內高溫部件的熱防護領域。但在實際服役環(huán)境中,多重因素會導致熱障涂層系統(tǒng)在無法預知的時間發(fā)生涂層的剝落失效,這極大限制了熱障涂層隔熱防護性能的進一步開發(fā)。應用先進的檢測技術監(jiān)測熱障涂層的界面破壞過程并定量評估界面結合性能已逐漸成為了其失效機理研究的重要分支。本文中,用數(shù)字圖像相關法(Digital ima

2、ge correlation,簡稱DIC)研究了機械載荷和熱沖擊載荷下熱障涂層的界面破壞過程。主要研究內容如下:
　　第一,用數(shù)字圖像相關法實時監(jiān)測拉伸載荷下熱障涂層全場/局部應變演變過程。根據(jù)應變場演變數(shù)據(jù),準確獲得了拉伸載荷下熱障涂層的破壞機理,并提取了涂層表面和界面的臨界斷裂應變值,計算得到涂層的斷裂強度和界面剪切強度分別為35.0±4.6和14.1±3.2MPa。另外,根據(jù)沿厚度方向的應變分布情況,改進傳統(tǒng)的剪滯理論模型,

3、建立了一個基于應變分布的剪滯模型,并對TBCs的界面結合性能進行了評估,驗證了模型的準確性。
　　第二,綜合應用數(shù)字圖像相關法和聲發(fā)射法實時監(jiān)測彎曲載荷下應變場及損傷演變情況。通過分析應變場數(shù)據(jù)、聲發(fā)射信號和表面形貌,準確判斷了涂層表面和界面的臨界斷裂時間,得到了小撓彎曲載荷下TBCs的破壞機理。最后,構建局部破壞理論模型,推導了涂層/基底體系的界面斷裂韌性計算公式,計算得到熱障涂層界面斷裂韌性為64.5~91.2J/m2。

4、>　　第三,設計和研制了一套基于數(shù)字圖像相關技術、聲發(fā)射技術、復阻抗技術的熱障涂層靜態(tài)實驗模擬系統(tǒng)。該裝置能夠模擬熱障涂層高溫熱沖擊的服役環(huán)境,同時通過數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)實時測試試樣的應變場演變、熱疲勞裂紋萌生與擴展、界面氧化規(guī)律、溫度場等數(shù)據(jù);并通過調試實驗驗證了系統(tǒng)各組成部分的功能。
　　第四,應用有限元計算軟件,理論預測了空心圓柱結構TBCs內初始殘余應力。采用等離子體噴涂工藝制備了帶界面缺陷的空心圓柱熱障涂層試樣,借助熱障

5、涂層實驗模擬系統(tǒng)完成高溫熱沖擊實驗,實時監(jiān)測了熱沖擊過程中TBCs的表面應變場的演變過程。結果表明:涂層表面斷裂開始于182~185次循環(huán),陶瓷層的局部斷裂強度為93.8~102.2MPa。最后通過對比應變數(shù)據(jù)和裂紋模式,探討了TBCs的高溫熱沖擊的失效特征和破壞機理。
　　總之,本論文應用數(shù)字圖像相關技術較為系統(tǒng)地研究了在機械和熱沖擊載荷下熱障涂層應變場演變及界面破壞過程,為將來熱障涂層失效機理研究和應用提供重要的實驗方法和參考