基于相场理论的柱状晶YSZ裂尖铁弹畴形核机制研究

The fracture toughness of the thermal barrier coating material is directly related to its service life. Due to the severe service environment of the aero engine, the top ceramic materials are easily cracked. With the expansion and connection of cracks, the thermal barrier coatings will be completely shedding. Now the most widely used thermal barrier coating material is the 7wt% yttria partially stabilized zirconia (7wt%YSZ), the columnar structure exhibits the unique and excellent ferroelastic domain nucleation toughening mechanism—the nanoscale ferroelastic domains will nucleate on the crack tip under stress, absorbing strain energy and inhibiting further crack extended. Therefore, this paper aims at the nucleation mechanism and switching rule of ferroelastic domain in the vicinity of a crack tip under complex stress for YSZ material, based on the fracture mechanics and Landau transformation theory, try to establish a phase field model of finite element formulation, to simulate the nucleation process of ferroelastic domain surrounding a crack tip, and to derive a deep understanding of ferroelastic toughening mechanism for YSZ. The results of this study will provide some key parameters and important guidance for designing high fracture toughness thermal barrier coatings and improving the service life of aero-engine.

热障涂层材料的断裂韧性与其服役寿命直接相关。热障涂层由于航空发动机内部恶劣的服役环境，顶部陶瓷材料极易发生开裂，随着裂纹的扩展与连接，将导致热障涂层整体脱落。现今热障涂层中应用最广的陶瓷材料是7wt%氧化钇部分稳定的氧化锆(7wt%YSZ)，其独特的柱状晶结构表现出优异的铁弹畴形核增韧特性——在应力条件下裂纹尖端形核纳米尺度的铁弹畴，吸收应变能抑制裂纹进一步扩展。因此，本课题旨在系统研究YSZ陶瓷材料在复杂应力应变环境下裂纹尖端铁弹畴的形核机理及其转化规律，基于断裂力学及朗道相变理论，建立有限元算法的相场模型，模拟裂纹尖端铁弹畴的形核过程，深刻理解YSZ材料铁弹增韧机制。本课题的研究结果，将为设计出高断裂韧性的热障涂层材料从而提高航空发动机服役寿命提供一些关键参数和重要的指导依据。

总的来说，我们建立了一个模拟铁弹畴翻转的相场模型，并将之应用到裂纹尖端的应力场中，我们发现，对四方相的YSZ而言，裂尖的翻转，或者更直接的说，孪生面是在与裂纹平面成45度角的平面。遗憾的是，孪生面处在 的区域，也就是说，在翻转刚刚开始的时候，铁弹翻转对裂纹是反屏蔽作用，直白的说，就是促进裂纹的进一步扩展——这是非常重要的一个结论，不少材料学者都认为通过降低孪晶界能量增加孪生发生的可能性可以起到增韧作用，但是这对YSZ而言可能只能起到反效果；随着裂纹的扩展，翻转区进一步扩展，形成一个畴带区包裹住整个裂纹，这种情况下，铁弹增韧才真正发生。这也是我们得到的最重要的结论：过程区畴带的厚度才是铁弹增韧的关键，畴带越厚，铁弹畴对裂纹尖端的屏蔽作用越大，而降低畴壁能能够增大过程区的带宽。单晶材料的各向异性将引入模量增韧作用，对裂纹的屏蔽是有益的，但这个材料参数难以调控。最后，我们得到了可有效放大YSZ铁弹增韧行为的材料参数：材料的c/a比以及铁弹畴的畴壁能，最优增韧配方应该是增大c/a比及减小畴壁能。