热障涂层失效行为的实验力学方法与技术研究

Thermal barrier coatings (TBCs) are widely used in turbine blades of aeronautics, astronautics and nuclear reactors for the purpose of insulation from hot gas stream and protection of metallic substrate. Howerer, the gas-turbine engines are under the threat of premature TBCs failures such as fracture and spallation during service.In order to meet the demand of national defense and civil applications,this project aims to develop the methods and techniques of experimental mechanics and their applications to the failure behaviours of TBCs.Research priorities: 1)to self-develop the experimental measuring systems for the researches on thermal-mechanical coupling service behaviors and to analyse the failure behaviors of TBCs during service with in situ measurement of the deformation fields.2)to propose novel methods for the measruement of macro-micro deformation of TBCs and to develop the fabricating techniques of deformation carriers on the surface and interface of TBCs.3)to develop the non-destructive techniques of thermography and digital image corrleration for the detecting of different defects in TBCs and to self-develop the assembly measuring systems.4)to develop the theories and methods for failure analysis and to establish TBCs'life prediction model based on the experimental and calculated results.And lay a foundantion for the fabrication of novel coating materials and optimal designing of TBC structures.

热障涂层结构广泛应用于航空、航天、核反应堆等涡轮发动叶片上，主要作用是抵抗高温燃气，保护基体材料。在服役过程中，涂层过早出现开裂、脱粘等失效行为直接影响发动机的安全性。本项目立足于现代国防和民用需求，研究热障涂层失效行为的实验力学方法和技术。重点内容为：1）研制热力等耦合服役行为的实验测试系统，通过实时变形场测量，分析热障涂层在服役过程中的力学失效行为；2）建立热障涂层结构宏微观变形场测量新方法，研制涂层表面和界面变形载体的制备技术；3）发展热波成像法和数字图像相关法相结合的无损检测技术，实现对涂层多种缺陷的测试诊断，并研制集成的检测系统；4）基于实验和计算结果，发展失效分析理论和方法，建立寿命预测模型。最终为热障涂层的材料研制和结构优化设计奠定基础。

热障涂层（Thermal Barrier Coatings, TBCs）作为航空发动机和燃气轮机热端部件的关键热防护材料和结构，其主要作用是保护合金基体，提高发动机热效率。在服役过程中，涂层过早的开裂、剥落等失效行为直接影响其服役的可靠性。本项目开展了热障涂层失效行为的实验力学方法与技术研究。提出了多种高温光栅/散斑变形载体制备工艺，所制作载体服役温度最高可达1500℃，且具有与基体附着力好、抗氧化能力强、图像对比度高等优点。发展了高温环境下的多种光学测量方法、技术，包括：单相机三维数字图像相关、光栅应变计、光栅位相、透射电镜（TEM）纳米云纹与相干梯度敏感干涉等，并研制了相关测量系统，实现了复杂环境下的热障涂层结构宏微观变形场测试。进一步利用所发展的光学变形场测量技术等，成功获得了不同温度下热障涂层的弹性模量、泊松比等力学参数，表征了陶瓷层、热生长氧化层（TGO）的多尺度残余应力，提出了基于应变方差的涂层断裂失效判别准则。此外，针对热障涂层缺陷检测的需求,发展了激光刻蚀和空心陶瓷颗粒埋入等人工缺陷制备新技术，具有缺陷尺寸、位置精确可控等特点。自主开发了多模式激光扫描热成像无损检测技术，实现了宽度10 µm以上的热障涂层表面裂纹缺陷或直径1 mm以上的人工脱粘缺陷的可视化检测，将现有热成像无损检测技术的脱粘缺陷检测灵敏度提高了约2.5倍。提出了加窗均值载波后处理算法，消除了因物体复杂表面形状造成的不均匀温度分布的影响，实现了真实曲面叶片热障涂层人工脱粘缺陷的高效率检测。上述研究结果表明，所发展的实验力学测量方法、技术与系统可以很好地满足热障涂层极端环境下的测试需求，所获得的力学参数与失效判定准则等可为新型热障涂层的设计制造提供有益的参考，具有重要的科学意义。