热障涂层的冲蚀破坏机理研究

Thermal barrier coatings (TBCs), with the high temperature durability and excellent heat insulation, can reduce the metal surface temperature and result in a significant increase in performance and efficiency of gas turbine engines. Therefore, TBCs have been developed as a key technique for heat protection and regarded as the reliable way to improve the work temperature of aeroengines. However, during flight TBCs are unavoidable impacted by particles from combustion chambers or foreign objects, and result in erosion, which has become a main bottleneck of service performance and reliability. Once the key physical or mechanical parameters are found in the evaluation of their performance through a good understanding of erosion mechanisms, a direct guidance can be obtained to optimize the material design and preparation process of TBCs. The purpose of this project is to improve the erosion performance, enhance the design and peraparing technique of TBCs, and then guide the their applications in aeroengines made in China. In combination with the experimental techniques of TBCs erosion to be developed with the dimensional analysis and finite element simulations, the key parameters resulting in erosion will be determined. Based on these parameters, the failure mechanism map will be established, which will provide a clear physical image for the optimization and application of TBCs.

耐高温，高隔热的热障涂层因为能降低基底的工作温度，提高发动机的性能与热效率，成为了高性能航空发动机的关键热防护材料，它的安全应用被公认为是目前大幅度提高航空发动机工作温度最切实可行的方法。然而，航空发动机在飞行过程中，将不可避免的受到燃烧室内各种杂质以及外来颗粒的撞击，从而发生冲蚀失效，这一失效已成为制约热障涂层服役性能及其安全应用的重要瓶颈。如能正确理解热障涂层冲蚀破坏的机理，找出评价热障涂层冲蚀性能的关键物理、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"提高热障涂层抗冲蚀破坏的能力，提高我国热障涂层的设计与制备技术，指导其在航空发动机中的安全应用"为目标，通过发展热障涂层冲蚀失效的实验技术，采用量纲分析并结合有限元模拟确立影响热障涂层冲蚀性能的关键参数，并以此建立热障涂层冲蚀失效的破坏机制图，为热障涂层的优化与应用提供清晰的物理图像。

热障涂层(TBCs)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TBCs技术的发展。然而，随着TBCs在更高性能航空发动机中的应用，TBCs将不可避免的面对越来越高、硬质颗粒越来越复杂的冲蚀环境，因而TBCs的冲蚀破坏无疑成为制约其安全应用的重要瓶颈之一。由于TBCs本身几何形状、微观结构很复杂而且服役环境非常恶劣，其冲蚀失效机理也极其复杂，抗冲蚀性能与微观结构和制备工艺间的关系无法建立，从而无法提高TBCs的服役可靠性。因此，理解TBCs的冲蚀破坏机制，优化TBCs的材料设计、制备工艺，是TBCs技术特别是我国的TBCs技术可以安全可靠的应用在航空发动机上所急需解决的关键与挑战问题。本项目以“提高TBCs抗冲蚀性能，指导TBCs材料在航空发动机的应用”为目标，发展了TBCs冲蚀破坏的实验技术来模拟TBCs的冲蚀服役环并进行冲蚀试验，分析了TBCs冲蚀破坏的形式及其影响因素，结合量纲分析与有限元模拟，一方面提炼出了评价TBCs优劣的关键物理、力学性能参数，建立了关键参数与TBCs材料设计、制备工艺的关联；另一方面以所提炼出的TBCs关键参数、冲蚀服役环境为参考，建立了TBCs冲蚀的破坏机制图，为TBCs的优化设计及其在航空发动机的安全应用提供指导。