TGO本构关系温度相关性的DIC表征及机制

Thermal barrier coatings (TBCs), as one of the most important key techniques for thermal protection of aeroengines, have been developed as the most feasible resolution to improve the service temperature of aeroengines. However, due to the high temperature oxidation, thermally growth oxide (TGO) is an unavoidable vulnerable region in TBCs, which is the main factor result in the failure of TBCs. Because the interface oxidation of TBCs is a complicated chemo-thermo-mechanically couple problem, the oxidation and failure mechanism of interface is still unclear. Nevertheless, characterization on temperature dependence of the constitutive relations of TGO lays foundation for understanding the evolution of stress, deformation in TGO and interface failure mechanism of TBCs. Based on the above consideration, this project is to establish the constitutive relations of TGO at high temperature. The real time, nondestructive and in-situ testing method of strain in TGO under thermo-mechanical loading will be developed to obtain the evolution of strain with different temperature and TGO thickness. Based on the experiment, the theoretical models of stress-strain relationship and creep in TGO can be established. Combined with the evolution of microstructure, the temperature dependence and mechanism of high temperature mechanical properties in TGO will be understood.

作为航空发动机高温热防护三大核心技术之一的热障涂层(TBCs)技术，被认为是目前提高航空发动机服役温度最切实可行的方法。然而，高温环境下界面氧化形成的热生长氧化层(TGO)是TBCs不可避免的最薄弱环节，是导致TBCs失效的关键因素。由于TBCs的界面氧化是一个复杂的热力化多场耦合问题，使得人们对界面氧化机理及其失效的认识还很不透彻，而TGO本构关系温度相关性的表征为研究TGO的变形、应力状态及其演变过程，系统了解TBCs界面失效机制奠定基础。基于此，本项目以解决“高温下TGO本构关系的表征”这一关键科学问题为目标，通过发展热力联合作用下实时无损原位的应变场表征技术，建立不同温度、不同TGO厚度情况下，TGO应变的演化规律，并以此实验为依据建立TGO应力应变关系和蠕变的理论模型，结合微观结构的表征手段，分析TGO高温下的力学性能与温度的演化关系的机制。

作为航空发动机高温热防护三大核心技术之一的热障涂层(TBCs)技术，被认为是目前提高航空发动机服役温度最切实可行的方法。然而，高温环境下界面氧化形成的热生长氧化层(TGO)是TBCs不可避免的最薄弱环节，是导致TBCs失效的关键因素。由于TBCs的界面氧化是一个复杂的热力化多场耦合问题，使得人们对界面氧化机理及其失效的认识还很不透彻，而TGO本构关系温度相关性的表征为研究TGO的变形、应力状态及其演变过程，系统了解TBCs界面失效机制奠定基础。基于此，本项目以解决“高温下TGO本构关系的表征”这一关键科学问题为目标，通过发展高温环境下应变场的数字散斑表征方法，对高温拉伸过程中TGO应变场进行原位表征，得到了TGO产生裂纹时的主应变为0.25%，采用X射线衍射的方法表征了TGO内部残余应力的大小，得到TGO内的残余拉应力为133.1 MPa。并通过简化的剪滞模型进行计算，最终得到TGO的拉伸断裂强度为682 MPa左右。基于大变形理论，建立了界面热-力-化多场耦合理论框架，采用有限元模拟了热障涂层界面氧化的大变形热-力-化耦合生长和应力演化，分析不同几何模型的TGO生长和应力演化，得出了TGO生长和应力演化随耦合因子的变化规律。采用高温纳米压痕的方法对TGO样品进行高温压痕实验，发现TGO的杨氏模量和硬度随着温度的升高而下降，从室温到500℃下TGO的杨氏模量分别为：561GPa，538GPa，530GPa，486GPa，469GPa，439GPa；硬度分别为：29GPa，25GPa，19GPa，18GPa，16GPa，15GPa，建立了TGO的硬度、杨氏模量随温度的演变规律。发展了图像有限元方法，对考虑真实TGO形貌的热障涂层进行了热应力及失效机制分析。结果表明：随着TGO形貌粗糙度的增加，应力先随粗糙度的增加而显著增加，随后趋于平缓。得到了两种TC/TGO界面的失效模式：（i）当TC层不存在微裂纹时，界面裂纹扩展导致TC层的剥离；（ii）当TC层中存在微裂纹时，横向裂纹和界面裂纹联合作用导致TC层的剥离。这对热障涂层在服役过程中的失效机制的建立是十分有益的，同时，也为热障涂层寿命预测提供了有效依据。