微纳多尺度孔隙结构热障涂层及其协同抗爆震失效机理

There are alternated thermal loads coupling with mechanical loads in the combustion chamber of advanced internal combustion engine, which brings out the requirements of thermal barrier coatings with high heat insulation and explosive shock resistance to the engine parts. Thermal insulation can be improved through the increase of coating thickness. Meanwhile, the inner stress is increased which leads to the peel off of the thermal barrier coatings under the impacts of the detonation flow in the service of internal combustion engine. In this work, multi-sized pores at nano and micro scale will be introduced to the thermal barrier coatings of the combustion chamber of internal combustion engine with the aims at improving deformabilities and thermal resistance which ultimately improves the explosive shock resistance. The multi-sized pores at nano and micro scale will be adjusted and controlled. The effects of pore structures on the heat conduction and deform, the differences of failure behaviors between conventional and multi-sized TBCs will be investigated. The mechanisms of high heat insulation and coordinated explosive shock resistance will be revealed, which makes the base of thermal barrier coating technology for the high temperature applications in advanced internal combustion engine. The accomplishment of this work will provide a scientific basis to enrich the basic theory of thermal barrier coatings.

先进内燃机燃烧室承受高热/机械交变载荷，其部件防护需要具备高隔热和抗爆震性能的热障涂层。增加热障涂层厚度可提高隔热效果，但同时也将引起涂层内应力升高，导致热障涂层在燃爆服役条件下易脱落失效。本项目拟通过内燃机燃烧室关键部件热障涂层中引入纳米、微米、数十微米多尺度分布的孔隙结构，从而保证高隔热性能的同时获得强的变形协调能力，以提高其抗爆震性能。研究微纳米多尺度孔隙调控方法，掌握孔隙结构特征对热障涂层导热和变形协调行为的影响规律，分析其失效行为与常规热障涂层的差异，阐明微纳多尺度孔隙结构隔热与协同变形机制，揭示微纳多尺度孔隙结构热障涂层高隔热与协同抗爆震机理，为发展先进内燃机用热障涂层技术奠定基础，也为丰富热障涂层的基础理论提供科学依据。

先进内燃机燃烧室承受高热/机械交变载荷，其部件防护需要具备高隔热和抗爆震性能的热障涂层。增加热障涂层厚度可提高隔热效果，但同时也将引起涂层内应力升高，导致热障涂层在燃爆服役条件下易脱落失效。本项目拟通过内燃机燃烧室关键部件热障涂层中引入纳米、微米、数十微米多尺度分布的孔隙结构，从而保证高隔热性能的同时获得强的变形协调能力，以提高其抗爆震性能。研究分析了原始中空结构YSZ粉末在等离子喷涂中的遗传特性，实现粉末中空结构遗传形成的孔隙、粉末颗粒之间搭接形成的封闭孔隙、粉末颗粒之间形成的贯通孔隙三类孔隙，联合有机造孔剂，实现热障涂层中纳米、微米、数十微米多级多尺度孔隙结构热障涂层的构建。研究发现，在一定尺度范围内，孔隙含量对陶瓷层强度、变形能力，导热能力等影响显著。对于数十微米的大孔隙，变形能力较强，然而，一旦大孔隙结构不封闭，产生贯穿的裂纹，其导热能力会显著下降。封闭结构孔隙比开放结构孔隙热障涂层具有更低的热导率。封闭结构孔隙热障涂层在保证力学性能具有一定强度，承受热气流冲刷的过程中，孔隙尺寸越小，热障涂层的热导率越低，隔热效果越好。在热障涂层中引入多尺度孔隙结构会导致硬度和弹性模量降低，断裂韧性增加。在多尺度孔隙结构热障涂层的长期服役过程中发现，多尺度孔隙结构热障涂层的热导率随着服役时间的增加而增加。服役时间到达约60天后，导热系数趋于稳定，接近于块材的导热系数。随着服役时间的延长，纳米级孔隙在高温服务过程中会消失，微米和几十微米的大孔不会消失，有利于抗烧结。随着服役时间的延长，多尺度孔隙结构热障涂层的弹性模量和硬度增加，断裂韧性下降。当服役时间达到60天后，纳米级小孔消失，微米级大孔保留，抗烧结性能好，多孔结构、硬度、弹性模量和断裂韧性趋于稳定。微纳多尺度孔隙结构热障涂层高隔热与协同抗变形机理，为发展先进内燃机用热障涂层技术奠定基础，也为丰富热障涂层的基础理论提供科学依据。