热生长氧化物诱发的热障涂层界面裂纹扩展

热生长氧化物诱发的界面破坏是影响热障涂层（TBC）热力学性能和耐久性的关键因素。高温工作时，陶瓷层与粘结层之间的热生长氧化物增厚会在热生长氧化层（TGO）内产生残余应力并积蓄相当高的应变能密度，加速界面处裂纹的萌生及扩展，显著降低TBC的结构完整性和可靠性。本项目以热生长氧化物诱发的TBC界面裂纹扩展规律为研究对象，首先建立分析异质、曲界面裂纹扩展的有限元重合网格法，以能同时处理裂纹和异质材料所带来的强、弱不连续性问题；更进一步，针对TBC结构热力耦合服役环境及热生长氧化物与相邻基元高周期性啮合所形成的曲界面特点，采用重合网格法数值模拟了TBC界面裂纹扩展直至剥落失效的全过程，充分展示了改进后的重合网格法在处理异质、曲界面裂纹扩展问题时的独特优势，揭示了热力耦合作用及热生长氧化物形貌对TBC界面裂纹扩展的影响规律，为燃气轮机高温叶片热障涂层强度评价提供基础。

热生长氧化物诱发的界面破坏是影响热障涂层热力学性能和耐久性的关键因素。本项目采用数值与试验相结合的方法，研究了复杂界面形貌、热生长氧化层（TGO）的损伤状况及粘结层塑性、硬化参数等因素对涂层失效的影响机制；还分析了陶瓷涂层表面垂直裂纹的断裂力学行为及其对界面脱粘的影响。.研究表明：（1）陶瓷涂层与粘结层间的复杂界面形貌导致应变能释放率的振荡分布，并影响表面垂直裂纹的扩展路径，使其向应力集中程度高的区域偏折。TGO的损伤状态对表面裂纹的扩展行为有着决定性的影响。初始界面缺陷是表面裂纹贯穿相对较软涂层的必要条件。而对于损伤严重的TGO而言，在裂纹向界面逼近过程中，其裂纹扩展驱动力不断增大。在此过程中，弹性模量失配（Dundurs 参数）起到了决定性的作用。（2）表面裂纹间距及裂纹长度是影响陶瓷涂层表面垂直裂纹裂尖奇异性及扩展驱动力的两个关键因素。当陶瓷涂层内仅有一个占主导地位的表面垂直裂纹时（c→∞），应力强度因子最大；随着表面裂纹间距减小（c→0），应力强度因子逐渐减小。（3）表面裂纹间距对界面裂纹萌生及扩展的影响可根据程度的不同分为三个区域：区域I，表面裂纹间距约小于10倍薄膜厚度，对界面裂纹萌生及扩展具有非常显著的影响。当裂纹间距大小位于此区间时，界面裂纹萌生及扩展驱动力明显减弱，有助于抑制界面裂纹的萌生及涂层脱粘；区域II，表面裂纹间距与薄膜厚度比约在10和20之间，表面裂纹对界面裂纹的影响逐渐减弱，当裂纹间距达到约20倍薄膜厚度时，其影响基本可以忽略不计。因此，20倍薄膜厚度被定义为临界表面裂纹间距；区域III，表面裂纹间距大于20倍薄膜厚度，其影响可以忽略，结果等价于涂层内仅有一主导表面裂纹，此时容易导致伴随界面裂纹的萌生。因而，适当增加表面裂纹密度有助于降低涂层断裂及脱落的概率，对延长涂层寿命、提高涂层耐久性具有重要意义。