1600℃范围内热障涂层体系宏微观力学性能实时表征及破坏机理研究

Novel experimental measurement techniques and apparatus are expected to be developed to in-situ study the high-temperature mechanical behaviors and failure mechanism of thermal barrier coating systems under different scales. It may be become important paths to improve the coating preparation properties and enhance the operation life of the coatings. The points have become hot questions in materials and mechanics fields. We will assemble a setup of digital image correlation three-dimensional strain test system and high-temperature load system, which may be used to real time study the mechanical characteristics and possible failure mechanisms of thermal barrier coating systems under macro or micro scales within 1600 degrees centigrade. Evolution of cracking nucleation, propagation and coating spallation would be in situ monitored by digital image correlation system. A lot of important experimental data and fracture phenomena can be recorded by computer. Other material properties of thermal barrier coating systems can be estimated by modified mechanics models and the above obtained critical data. These results are helpful for establishing many failure criteria, and revealing novel failure mechanisms, and predicting the service life of the coatings in practice.

如何发展新型实验测试技术和仪器设备，在不同服役温度下实时研究热障涂层体系宏微观力学性能和高温失效机理，是进一步完善涂层制备工艺、提高涂层构件服役寿命的重要途径，正成为国内外材料界和力学界的热点科学问题。本申请项目通过组装一套数字图像相关技术三维变形光学测试系统和高温加载设备，发展一种在1600度服役温度范围内实时表征热障涂层体系宏微观力学性能的新方法，原位观察涂层/基底体系的三维应变场动态演变、裂纹扩展过程，同步记录涂层失效的临界破坏条件；应用相关力学模型，建立涂层材料参数随服役温度变化的数据库；并进一步揭示在不同服役温度下热障涂层体系失效准则和宏微观破坏机理，为加快优化涂层制备工艺、有效评估热障涂层体系服役性能提供重要的实验支持，具有重要的科学意义和社会价值。

高温防护涂层已成为航空发动机和高超音速飞行器热端部件的关键材料。发展先进的实验测试技术和实验系统，揭示服役温度下高温涂层力学性能演变特性，总结其失效机理，是获得高可靠性、长寿命涂层的重要基础。项目组首先研制了一套基于数字图像相关法的材料高温力学性能实验测试系统，完善了高温散斑材料配方和工艺，优化了数字图像三维变形非接触式测量系统，定制了高温环境箱，实现在1600 ℃大气环境下原位表征高温材料力学性能演变特性；发展了基于剪滞原理的多层结构涂层拉伸断裂模型，有效获得涂层断裂强度、界面剪切强度与测试温度的关联；先后采用EB-PVD和APS方法制备了8YSZ热障涂层体系，在1000 ℃范围内完成了涂层拉伸断裂测试，动态监测了不同温度下涂层开裂过程，讨论了涂层断裂强度与测试温度的演变特性，丰富了8YSZ热障涂层体系破坏机理；采用APS方法制备了新型单层/双层GYbZ热障涂层体系，先后研究了1600 ℃范围内纯GYbZ涂层弯曲断裂特性，建立了涂层弯曲强度、弹性模量与测试温度的数据库；在1000 ℃范围内完成了GYbZ涂层拉伸断裂测试，总结了测试温度对涂层强度参数的影响。拓展了该项目发展的数字图像相关技术实验测试系统和多层结构剪滞拉伸力学模型，先后制备了掺杂改性莫来石环境障涂层体系、C/SiC复合材料，在1600 ℃范围内系统研究新型涂层及基底力学变化特点，总结了防护材料高温失效机理，有利于促进工艺改进和性能优化。项目组顺利完成了相关研究任务，取得了预期研究成果，授权国防发明专利5项，发表15篇SCI文章，培养了8名研究生，获省部级奖励5项。