带热障涂层涡轮叶片寿命预测理论与实验研究

The ceramic thermal barrier coatings have received increased attention for advanced gas turbine engine applications.In order to improve the analysis and design technology for advanced aero-engine hot components, the thermal barrier coatings strength, life analysis and design technology of thrust-weight ratio of 10 to 12 engine will be focused on. The design and analysis of the electron beam physical vapor deposition thermal barrier coatings (EB-PVD TBC) will be studied。Firstly the EB-PVD TBC will be sprayed on Ni-based superalloy. The substrate of TBC system is selected as single crystal or directionally solidified superalloy. The thermal properties of EB-PVD TBC will be obtained under high temperature (maxium temperature 1150℃). Different constitutive laws will be modeled for different layers of TBC system. Secondly, the thermal-mechanical fatigue experiments under high temperature load will be carried out. The damage evolution and failure mechanisms of the EB-PVD TBC under thermal-machianical load will be analyzed. Finally，in order to form the analysis technology with independent intellectual property rights，the life prediction techniques, numerical calculation methods, analysis tools will be developed.

热障涂层是先进航空发动机采用的关键技术，然而无论在设计分析还是工程应用方面仍存在许多尚未解决的问题。现有寿命预测模型难以实现带热障涂层涡轮叶片的精准预测就是其中的瓶颈问题。本项目以我国先进航空发动机带热障涂层（EB-PVD）涡轮叶片为对象，开展其寿命预测理论与试验研究。首先，采用共振测试原理，搭建高温热物理属性测试系统，获取陶瓷层高温（最高1150℃）材料力学数据；鉴于陶瓷层与金属基体的高温变形特点，建立多物理属性集成的粘塑性变形分析技术。而后，开展高温、热机械疲劳破坏试验，利用宏细观分析手段，揭示带热障涂层结构在具有显著时变特征的多场载荷下的损伤演化规律，结合数值分析结果，探寻主导涂层结构破坏的高温损伤参量与力学控制变量，完善带热障涂层结构的强度破坏、寿命预测理论。最后，探索基于变形等效或子模型理论，实现带热障涂层涡轮叶片的寿命精准预测，形成具有自主知识产权的热障涂层结构分析、设计技术。

本基金项目自2016年正式开展工作以来，以我国航空工业对推重比10-12级别的涡喷/涡扇发动机的带涂层单晶涡轮叶片强度设计的重大需求展开基础理论与试验研究。首先，搭建了用于测试TBCs表层力学参数的测试平台，解决了高温热气流干扰带来的测试误差问题。首次获得了我国现有热障涂层制备工艺条件下的陶瓷表层的杨氏模量（最高温度为1150℃）数据，该数据填补了我国高温陶瓷层力学性能数据的空白。开发了相应的UMAT用户子程序，建立了多物理属性集成的先进带TBC单晶高温合金变形分析技术。其次，完成了模拟真实燃气环境条件下的热—机械疲劳试验平台的改造与升级，获得了高温热端构件带涂层部件的损伤演化规律和燃气环境条件下热—机械疲劳寿命数据以及强度破坏模式。根据高温损伤与疲劳损伤的演化规律分析，建立了以TGO增厚为高温损伤变量的寿命预测分析技术。最后，提出了与TBC结构细观尺度真实应力应变场相关的等效因子，充分反映了结构近场与远场的应力应变特性，实现了对带涂层涡轮叶片结构的热—机械疲劳寿命的预测。并开发针对实际结构特点的强度、疲劳寿命预测分析工具，为提高我国设计与分析带热障涂层涡轮叶片的强度与寿命提供了理论基础与数据。