热障涂层中热生长氧化物的电-力耦合固体反应流本构

The plastic flow in the resultants accompanies solid-state chemical reaction is called reactive flow in solids. The formation of thermally growth oxides (TGO) is a typical reaction flow in solids. TGO is a key role dominating the bonding strength and service life of thermal barrier coatings. However, until now, there is no efficient technology to control and improve the property of TGO. Since the chemical reaction of solids is mainly controlled by the diffusion of ions with electric charges, it should be affected by the electric field. Here we aim to control the growth of TGO by electric field, to improve the grain size, distribution and toughness TGO, and to gain long-life thermal barrier coatings. Firstly, this project is to build solid reactive model on the electro- chemo- mechanical reaction based on the thermodynamics and to clarify the effect of electric field and stress field on the growth and deformation of oxides. Then study the instability of oxide thin film under the electric field and stress field. Design experiments on metal oxidation to verify the new theory and to obtain the parameters in our model. Finally, applied the theory to control the TGO growth. This project may supply a technology to improve the life of thermal barrier coatings. The developed theory may also be useful to anodic oxidation of metal, micro-nano fabrication and lithium batteries, et al.

固体发生化学反应，反应中氧化物发生塑性流动的过程被称为固体反应流。热障涂层中热生长氧化物（TGO）的生长变形是一种典型的固体反应流。TGO是影响热障涂层粘结强度和服役寿命的关键因素之一。目前缺乏有效技术手段对TGO微结构进行调控以改善其性能。因固体化学反应主要通过带电离子的扩散进行，反应过程受电场影响。本课题提出采用电场调控TGO的生长、晶粒尺寸及排布等来改进其微结构，进而提高热障涂层的寿命。首先在热力学基础上建立电-力耦合作用下的固体反应流本构，从理论上阐明电场与应力对氧化物生长与变形的影响；然后研究电-力耦合作用下氧化物薄膜的变形失稳；设计电-力耦合作用下的金属氧化实验，验证理论并获得电场对金属氧化的调控参数。最后应用电场调控TGO的微结构与性质。本课题可为改善热障涂层寿命提供一种技术手段。相关理论还可应用于金属阳极氧化膜的调控，微纳米制造、锂电池等领域。

固体反应流理论主要研究反应过程中氧化物发生塑性流动的过程。此课题主要面向国家重型燃气轮机研发中热障涂层的高可靠制备，为燃气轮机高温叶片热障涂层的氧化、生长、失效过程提供理论分析工具。此外，此课题对锂电池、化学制造等领域也具有重要意义。.首先研究了热障涂层氧化生长的基础理论，温度、蠕变、应力耦合作用下的扩散理论，并应用于冷喷涂粘结层的合金化过程理论预测。然后研究了大温度梯度下，合金元素非均匀扩散，为热障涂层在真实服役工况下氧化生长及界面偏析建立了理论基础。进一步发展了更加实用的唯像模型，研究了长期服役过程热障涂层粘结层氧化生长，从致密的TGO阶段，再生成混合氧化物的两阶段过程，研究了混合氧化物导致的失效机理。最后研究了热障涂层缺陷检测技术，提出了缺陷热栅格检测方法。设计了电场加载实验系统，初步进行了电场加载氧化实验。.建立了固体的温度、应力耦合作用下的蠕变-扩散理论，进一步完成了温度梯度下固体的应力-蠕变-扩散理论模型，指出蠕变与扩散具有相似的时间尺度。将理论应用于分析冷喷涂粘结层的合金化过程，对指导粘结层的科学制备具有参考价值。完成了长期服役下热障涂层热生长氧化物两阶段生长唯像模型，给出了混合物导致的失效机理。建立的热栅格无损检测方法，可以统一的检测热障涂层表面裂纹与界面脱粘。发现强电场作用下金属高温氧化发生电击穿现象，为后续改进实验提供了经验。通过本项目的执行，研究了热障涂层服役中热力化耦合失效过程的主要机理，对改进热障涂层的制备具有参考价值。