热障涂层界面失效与氧化层应力演变的关联研究

摘要

热障涂层以其优良的隔热性能和抗氧化性能在高温热防护领域得到了广泛的应用，尤其是航空燃气轮机内部的高温部件，热障涂层已经成为提高涡轮发动机温度的关键技术。但在实际服役环境中，热障涂层的复杂体系结构和恶劣的服役环境会导致热障涂层系统在使用过程中发生剥落失效，这极大限制了热障涂层的使用。应用先进的无损检测技术监测热障涂层的界面破坏过程并定量评估界面损伤已逐渐成为了其无损评价和寿命预测的重要手段。本文中，利用光激发荧光压电光谱(Photo-stimulated luminescence piezo-spectroscopy,简称PLPS)方法测量了高温热循环过程中不同热氧化阶段热障涂层TGO层的残余应力，并研究了热障涂层界面失效与氧化层(TGO)中应力演变的关系，主要研究内容如下：
　　第一，PLPS方法测量高温热循环过程中TGO层应力的演变规律，发现残余应力经历增加、稳定、在拐点处急剧减小、再缓慢减小四个阶段，应力PLPS方法能很好的测量出TGO内的残余应力。
　　第二，根据实验得出TGO内残余应力与氧化层界面损伤演变的关联，结果表明通过TGO应力的变化可以推测出氧化层内损伤情况，氧化前期残余应力大，则氧化层内无缺陷；在应力开始快速减小的拐点处，样品TGO内开始产生界面裂纹；当应力减小到1GPa以下，样品内出现大的界面裂纹；应力减小到接近为零时，氧化层已经完全破坏，陶瓷层开始剥落。使用PLPS方法测量出TGO层应力的演变规律能很好的预测界面裂纹的萌生、扩展的过程，从而评估出热障涂层的无损评价和预测其服役寿命。
　　第三，通过统计TBCs氧化层应力出现拐点时样品对应的热循环次数，即TBCs界面剥落失效时的临界热循环次数，进行Weibull分布分析，结果显示，分散性因子m=4.12，表明临界热循环次数的分散性较大。特征循环次数N0=145次，对应累计概率Pf=61.32％，表示出现氧化层损伤的循环次数标准值，得到热障涂层在热循环条件下界面损伤的可靠性评估，其分散性较大，表现出的可靠性能较差。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 热障涂层及其研究现状

1.3 热障涂层失效检测方法与发展现状

1.4 本文选题依据和主要内容

第2章 PLPS测量方法及热循环条件下氧化层应力测量

2.1 PLPS残余应力检测方法

2.2 实验样品的制备

2.3 热循环实验及高温氧化过程分析

2.4 氧化层应力测量

2.5 本章小结

第3章 热障涂层氧化层界面损伤及与氧化层应力演变关联

3.1 涂层微观结构组织观察

3.2 涂层界面损伤与氧化层应力演变关联

3.3 涂层界面损伤与氧化层应力演变关联验证

3.4 小结

第4章 TGO应力演化的统计特性分析

4.1 热障涂层样品制备及实验测试方案

4.2 TGO应力随热循环增加的演化规律

4.3 TGO应力随机统计特征分析

4.4小结

第5章 总结与展望

5.1 工作总结

5.2 工作展望

参考文献

致谢

附录A：攻读硕士学位期间发表的专利及学术论文