热障涂层试验模拟系统的研制及其在制备工艺参数优化中的应用研究

涡轮叶片热障涂层是所有防护涂层中工作环境最恶劣，几何形状、微观结构最复杂，失效机理最复杂而服役寿命最难以预测的一种涂层，但又是目前急需要在航空发动机应用的隔热防护涂层。如能找出评价热障涂层性能优劣的关键物理、力学性能参数，则为优化热障涂层的材料设计、制备工艺提供直接的依据和指导。本申请项目以"提高热障涂层防开裂、剥落失效的能力，指导热障涂层材料在航空发动机的应用"为目标，通过设计模拟热障涂层实际工况的试验模拟系统，发展无损的实时检测方法对实际服役环境、实际涡轮叶片热障涂层的温度场、表面应变、表面形貌以及损伤演化进行实时检测，并结合有限元模拟、量纲分析确立评价热障涂层性能优劣的关键物理、力学参数。通过对这些参数的实验表征与理论分析，建立他们与材料成分、制备工艺之间的关联，提高热障涂层的服役可靠性，并形成合理、科学的优化热障涂层性能方法体系。

热障涂层是提高发动机服役温度最切实可行的办法，航空发动机推重比、可靠性、热效率的任何一点进步都将依赖于热障涂层技术的发展。然而热障涂层的工作环境非常恶劣，几何形状、微观结构很复杂，失效机理也极其复杂从而导致其服役寿命最难以预测。如能找出评价热障涂层性能优劣的关键物理、力学性能参数，则为优化热障涂层的材料设计、制备工艺提供直接的依据和指导。本项目以“提高热障涂层防开裂、剥落失效的能力，指导热障涂层材料在航空发动机的应用”为目标，设计了模拟热障涂层实际工况的试验模拟系统，发展了无损的实时检测方法对实际服役环境、实际涡轮叶片热障涂层的温度场、表面应变、表面形貌以及损伤演化进行实时检测，分析了实际服役环境下的破坏机制，建立了失效概率模型，提炼出影响热障涂层破坏机制的关键因素，并发展了关键因素的表征模型、实验方法与装置。通过对这些参数的实验表征与理论分析，确定了喷涂热障涂层的优化工艺参数，改善了热障涂层显微组织，热震性能得到明显改善。