高温富氧环境下金属陶瓷复合涂层力热化学耦合效应及破坏机理

Thermal protection coating is one of the key technique to protect the core hot-side unit of rocket engine at the extremely high temperature. The liquid rocket engine with large thrust and higher performance is driven by the turbine using the oxygen-enriched fuel gas as the working medium. Its performance is usually accompanied by the mechanical-thermo-chemico coupling (MTCC) action due to the higher temperature and fuel gas shock etc. It is, therefore, of great significance to investigate the failure mechanisms of thermal protection coating to extend lifespan of rocket engine. This project is proposed to study the essence of MTCC and inhomogeneous characterization problems of metal-ceramic composite coatings (MCCC) at the higher temperature and oxygen-enriched environment. The theory concerning the MTCC and strength by considering the effects of interfaces and strain gradient will be developed. Meanwhile, the thermal protection mechanisms of MCCC performing at the high temperature and oxygen-enriched environment will be studied as well. Moreover, the evolvements of micro-structures and thermodynamics properties of MCCC will be explored. The macro-properties and dependency relations between the micro and meso-structures under the frame of MTCC will be accurately characterized. Then, the main factors dominate the failure mechanisms and lifespan of MCCC will be given and systematically researched to achieve its toughening design. Lastly, the service efficiency evaluation methods of the MCCC will be established, which provides the theory base for the performance evaluations and higher confident lifespan prediction of MCCC.

高温防护涂层是火箭发动机核心热端部件高温热防护的关键技术之一。采用高温富氧燃气为涡轮驱动工质的大推力、高性能液体火箭发动机热端部件防护涂层在服役过程中往往经受高温和机械激振等复杂载荷环境，研究其力热化学耦合效应及破坏机理对于提高发动机及其高温部件的服役性能、保证发动机安全运行意义重大。本项目针对高温富氧环境下金属陶瓷复合涂层服役性能的力热化学耦合本质和非均质特性，发展考虑界面及应变梯度效应的力热化学耦合理论和强度理论，研究金属陶瓷复合涂层在高温富氧环境下的破坏机理，揭示高温富氧环境下涂层的热力学性能及微观组织结构的演变规律，准确表征力热化学耦合作用下涂层宏观性能和微细观结构之间依存关系，系统研究涂层失效机理及热震寿命的主要影响因素，建立其在高温富氧复杂环境下的服役效能评价方法，探索金属陶瓷复合涂层增韧机理，为高温防护涂层的性能评估与高置信度寿命预测提供理论基础，推动力化学耦合理论的发展。

项目针对高温富氧环境下金属陶瓷复合涂层服役性能的力热化学耦合本质和非均质特性，发展考虑界面效应及应变梯度效应的非平衡力热化学耦合理论和强度理论，揭示高温富氧环境下金属陶瓷复合涂层的破坏机理，构建基于力热化学耦合的金属陶瓷复合涂层服役效能评价方法，为金属陶瓷复合涂层的制备和实际应用提供指导，为高温热防护层高性能设计提供新思想，推动力学化学耦合理论的发展。通过五年的研究，顺利完成了预期目标，主要研究成果包括：1）发现了搪瓷涂层/镍基高温合金系统的双线性氧化增重规律。搪瓷涂层的蠕变机制在玻璃转变温度前后的改变引起搪瓷蠕变激活能的变化。揭示了残余应力诱发搪瓷崩瓷失效机理。2）建立了考虑化学反应、扩散过程以及机械变形的力化学耦合模型和理论。Noether定理推广应用到力-电-化学耗散过程中，得到了力-电-化学耦合下的几种重要守恒律。3）实现了基于水平集方法的含移动边界力化学耦合有限元模型和数值模拟。准确预测了高温合金与搪瓷涂层系统中由界面反应引起的应力分布以及化学物质浓度的演化，建立了考虑化学反应的温度相关的断裂强度模型；4）建立了材料屈服应力随氧气摄入量变化的预测模型；发现氧不断摄入导致了氧化膜/金属界面的自修复现象，从而提升了材料的韧性；发展了基于全局敏感性分析方法的搪瓷性能分析方法，为搪瓷材料的设计与防护提供指导。项目资助下，共发表项目内容相关的学术论文48篇，其中SCI论文46篇。项目组成员多次组织和参加国内外学术会议，并多次作邀请报告。项目执行期间，共培养毕业博士7名，硕士4名，其中2人获得陕西省优秀博士论文奖励， 2人赴海外知名高校继续深造，5人赴国内高校任教。团队获教育部、国家外专局111引智基地（2018年），团队获陕西省三秦学者创新团队（2018年），获得2020年国家自然科学基金重大项目资助。项目主持人入选爱思唯尔2020年高被引学者，并应邀担任国际著名期刊ASME Journal of Applied Mechanics副主编。