热障涂层失效机理与长寿命设计.pptx

热障涂层失效机理与长寿命设计 1 2 热障涂层简介 地面燃气轮机 航空发动机 YSZ陶瓷层 NiCoCrAlY或NiPtAl粘结层 氧化铝膜 涂层功能： 隔热80-150°C 防护基体氧化 抗热冲击 抗热腐蚀 热障涂层是航空发动机及燃气轮机的关键材料，用于防护涡轮叶片等高温部件，可大幅提升发动机工作温度和效率、成倍延长服役寿命。 3 挑战问题：如何设计热障涂层长寿命 热障涂层过早失效严重威胁发动机服役安全，理解涂层界面失效机理，指导长寿命设计与制备，是热障涂层研究的关键点和出发点。 巴西NOAR航空空难（2011/7/13） 波音777引擎爆炸（2021/2/20） 空客A400M运输机空难 （2015/5/9） 4 研究难点 热障涂层失效是受温度控制，通过界面裂纹萌生、扩展，一旦达到临界尺寸，受陶瓷层压应力作用从界面剥落的动态过程。 热障涂层界面失效模式 性能评价困难 裂纹机制不清 缺乏整体思路 研究难点 传统失效理论 粘结层 YSZ 氧化层 热障涂层界面裂萌生扩展过程 涂层失效方式 (箭头) 氧化层 5 难点一：缺乏表征方法，失效主因不明 工况严苛 缺乏适用于叶片热障涂层表征方法，导致温度、残余应力、界面强度无法准确测量，失效主要因素不明，阻碍了失效机理研究。 涂层结构复杂 叶形复杂 创新了涂层表征方法，解决了涡轮叶片热障涂层表征难题，揭示了界面强度是关键因素，推动失效机理研究向裂纹机制发展。 创新点 高温高压、高转速 熔盐腐蚀、冲蚀 陶瓷金属四层体系 非均匀多孔结构 叶片形状复杂 涂层结构差异 6 难点二：界面裂纹机制认识不透 缺乏统一的裂纹形成机制，传统界面起伏裂纹机制应用范围受限，无法解释其它重要失效模式下（如CMAS腐蚀）裂纹成因。 界面起伏失效 熔盐腐蚀失效 YSZ 粘结层 裂纹 TGO 界面裂纹 界面起伏导致裂纹 发现了关键证据，建立了高温应力为核心统一的界面裂纹机制，由此阐明了典型服役环境下的涂层失效机理。 创新点 7 难点三：缺乏协同研究与设计思路 采用整体思路，构建了热障涂层长寿命协同设计与制备方法，寿命提高2-3倍，应用于航空发动机、地面燃机，并拓展至运载火箭等。 缺乏整体研究设计思路，以往只关注单层组分变化，忽视了各层之间、以及涂层与基体相互作用，造成涂层长寿命设计困难。 创新点 不同基体对涂层寿命影响大 8 Part 1：涡轮叶片热障涂层性能表征方法 建立了涡轮叶片热障涂层表征方法，解决了服役工况下叶片涂层温度、残余应力、界面强度的测量难题，确定界面强度为失效决定因素。 高分辨荧光应力探针方法 应变屈曲界面结合强度方法 高温高转速非接触测温方法 明确界面强度为失效主因，揭示了界面退化机制 推动失效机理向界面裂纹形成机制发展 9 1.1 温度测量：荧光寿命测温原理 自然环境下 激发后 温度与荧光寿命有一一对应关系，通过寿命可测量温度 稀土如Eu、Dy等掺杂YSZ，具有荧光发光性能，激光激发产生荧光。 10 1.1 荧光寿命非接触测温方法 荧光寿命-温度关系 在涂层表面/界面沉积荧光层，利用激光激发可同时测得两种信号，根据荧光寿命可推测涂层表面/界面荧光层温度，响应时间在ms级。 11 1.1 举例：涡轮叶片热障涂层隔热温度测量 涡轮叶片热障涂层荧光测温示意图 涡轮叶片热障涂层实际隔热效果 分别在EBPVD涂层界面和表面沉积YSZ:Dy和YSZ:Eu，火焰冲击环境下，测量了涂层不同温度下的隔热效果（~0.7°C/µm）。 12 1.2 残余应力测量：Cr3+荧光谱技术 峰位偏移 Al2O3应力 系数 Cr3+荧光谱测量氧化铝原理 APS涂层的荧光峰 13 1.2 热障涂层荧光应力探针测量方法 入射激光 利用YSZ涂层中痕量Al2O3杂质，通过PLPS技术可快速测量涂层残余应力 测量速度快（<1s) 不受织构影响、深度可控 荧光信号 EBPVD热障涂层应力分布 14 1.2 举例：大气等离子喷涂YSZ涂层应力 不含基体 含基体 基于荧光峰位偏移~155 MPa，与理论热失配应力~150 MPa吻合。 理论热失配应力 15 1.2 举例：涡轮叶片热障涂层残余应力 16 1.3 界面强度测量：应变屈曲（strain to buckling)  Buckling of coating, at equalbiaxial compression, occurs at a critical stress:  When the stress σ in the coating exceeds σc, buckling occurs. The energy release rate, G, can be expressed by:  Relationship between G