热障涂层高温跨尺度服役机理及多维度结构设计

摘要

纵向隔热功能和横向应变容限是热障涂层长寿命隔热使役功能所要求的两个重要性能指标,是涂层从材料选择、结构设计到制备工艺优化所面向的基本目标。然而,由于长期工作在超过1000?C的典型高温条件下,热障涂层必然发生的结构变化引发了隔热功能与应变容限的改变。因此,以往大量研究都以阐明热障涂层热服役过程中的结构演变规律为主要内容,旨在寻找延缓涂层失效的方法。本文首先回顾了热障涂层高温构效演变的相关研究,发现迄今得到的主要理论成果仍然与涂层实际表现出来的动态演变规律有较大差距,原因主要有三方面:其一,对涂层本征层状结构特征的认识还不够深入;其二,关注的涂层结构变化大多是宏观尺度上的变化,缺乏相应的微观结构深入分析;其三,研究多集中于考虑单一因素影响,尚未综合考虑基体对涂层的约束作用。基于此,本文进一步从热障涂层的微观基本单元入手研究了复杂环境下热障涂层的高温服役行为,提出了材料/孔隙内耦合、应力/高温外协同的新型高温跨尺度服役机理。最后,从延缓隔热性能衰退、提高应变容限、延长服役寿命等多维度发展了新型高隔热长寿命TBCs的结构设计与制备方法。