热障涂层界面破坏实时测试分析及实验模拟系统的研制

摘要

热障涂层(Thermal barrier coatings,简称TBCs)以其良好的隔热、耐磨、耐蚀性,已被广泛应用在工业或航空燃气轮机内高温部件的热防护领域。但在实际服役环境中,多重因素会导致热障涂层系统在无法预知的时间发生涂层的剥落失效,这极大限制了热障涂层隔热防护性能的进一步开发。应用先进的检测技术监测热障涂层的界面破坏过程并定量评估界面结合性能已逐渐成为了其失效机理研究的重要分支。本文中,用数字图像相关法(Digital image correlation,简称DIC)研究了机械载荷和热冲击载荷下热障涂层的界面破坏过程。主要研究内容如下:
　　第一,用数字图像相关法实时监测拉伸载荷下热障涂层全场/局部应变演变过程。根据应变场演变数据,准确获得了拉伸载荷下热障涂层的破坏机理,并提取了涂层表面和界面的临界断裂应变值,计算得到涂层的断裂强度和界面剪切强度分别为35.0±4.6和14.1±3.2MPa。另外,根据沿厚度方向的应变分布情况,改进传统的剪滞理论模型,建立了一个基于应变分布的剪滞模型,并对TBCs的界面结合性能进行了评估,验证了模型的准确性。
　　第二,综合应用数字图像相关法和声发射法实时监测弯曲载荷下应变场及损伤演变情况。通过分析应变场数据、声发射信号和表面形貌,准确判断了涂层表面和界面的临界断裂时间,得到了小挠弯曲载荷下TBCs的破坏机理。最后,构建局部破坏理论模型,推导了涂层/基底体系的界面断裂韧性计算公式,计算得到热障涂层界面断裂韧性为64.5~91.2J/m2。
　　第三,设计和研制了一套基于数字图像相关技术、声发射技术、复阻抗技术的热障涂层静态实验模拟系统。该装置能够模拟热障涂层高温热冲击的服役环境,同时通过数据采集与处理系统实时测试试样的应变场演变、热疲劳裂纹萌生与扩展、界面氧化规律、温度场等数据;并通过调试实验验证了系统各组成部分的功能。
　　第四,应用有限元计算软件,理论预测了空心圆柱结构TBCs内初始残余应力。采用等离子体喷涂工艺制备了带界面缺陷的空心圆柱热障涂层试样,借助热障涂层实验模拟系统完成高温热冲击实验,实时监测了热冲击过程中TBCs的表面应变场的演变过程。结果表明:涂层表面断裂开始于182~185次循环,陶瓷层的局部断裂强度为93.8~102.2MPa。最后通过对比应变数据和裂纹模式,探讨了TBCs的高温热冲击的失效特征和破坏机理。
　　总之,本论文应用数字图像相关技术较为系统地研究了在机械和热冲击载荷下热障涂层应变场演变及界面破坏过程,为将来热障涂层失效机理研究和应用提供重要的实验方法和参考依据,同时也拓展了数字图像相关法的应用领域。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 热障涂层的研究与发展现状

1.3 热障涂层失效的检测及其发展现状

1.4 热障涂层的实验技术

1.5 本文选题依据和研究内容

第2章 拉伸载荷下热障涂层破坏的实时测试及分析

2.1 实验样品的制备

2.2 实验测试方案

2.3 实验结果及分析

2.4 剪滞理论模型的改进

2.5 本章小结

第3章 弯曲载荷下热障涂层界面破坏的实时测试与分析

3.1 实验样品制备与处理

3.2 实验测试方案

3.3 实验结果及分析

3.4 本章小结

第4章 热障涂层实验模拟系统的研制

4.1 热障涂层实验模拟系统的设计方案

4.2 热障涂层实验模拟系统的组成

4.3 涡轮叶片热障涂层系统热疲劳失效的模拟与测试方法

4.4 本章小结

第5章 高温热冲击服役环境下热障涂层破坏机理研究

5.1 实验样品制备

5.2 实验方案

5.3 结果及分析

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 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