基于小冲杆试验方法的热障涂层高温蠕变失效研究

During service, the thermal barrier coatings (TBCs) used in aero-engines and gas turbines will experience a complicated and harsh thermal stress environment. High temperature creep is one of failure mechanisms of TBCs, however, the effective approach in characterising the high temperature creep behaviour of TBCs is very limited. The conventional test methods cannot effectively characterise the creep failure of the small-sized TBCs. It is crucial to employ appropriate test method to investigate the high temperature creep behaviour of TBCs. The small punch testing method has the unique advantage in characterising the creep behaviour of the small-sized and multi-scale TBCs. It can effectively characterise the creep and structure degradation of the TBCs under thermal stress environment. In this project, the high temperature creep behaviour of TBCs is investigated. Since TBCs are generally small in terms of specimen sizes, small punch test technique is employed to investigate the creep behaviour of the thermally grown oxide (TGO), the yield, ductility and creep characteristics of the metallic bond coat as well as the mechanical properties of the interdiffusion zone. The microscopic creep mechanism of the TGO and bond coat will be studied. The effects of substrate elements on the mechanical behaviour of the TBC will be examined. The deformation interaction among the top coat, TGO and bond coat under high temperature will be investigated. The results in this project will contribute to the understanding of the creep failure mechanism of TBCs under high temperature environment.

航空发动机和燃气轮机所用的热障涂层工作在非常复杂且恶劣的热应力环境下，高温蠕变是导致热障涂层失效的主要原因之一。然而，目前缺乏有效表征热障涂层高温蠕变的方法，传统的试验方法无法有效地对小尺寸热障涂层的蠕变失效进行表征，迫切需要采用相应的试验方法来研究热障涂层的高温蠕变行为。小冲杆试验技术在研究热障涂层这类小尺寸、多尺度材料的蠕变上有独特的优势，能有效地表征热障涂层各层在热力耦合作用下的蠕变和结构失效。本项目将针对热障涂层这类多尺度材料的高温蠕变问题，采用小冲杆试验技术，研究热障涂层热生长氧化膜的蠕变、金属粘结层的塑性、屈服和蠕变行为以及互扩散区的力学行为，并从微观上掌握氧化膜和金属粘结层的高温蠕变机理，阐明陶瓷表层、氧化膜以及金属粘结层在高温蠕变下的协同变形机制，揭示合金基体元素的影响机制，探索热障涂层体系在高温蠕变下的失效机理。

本项目针对热障涂层这类小尺度材料的力学性能问题，研究热障涂层氧化膜的蠕变、金属粘结层的塑性、屈服和蠕变行为以及涂层的微观结构演变过程，并从微观上掌握氧化膜和金属粘结层的高温蠕变断裂机理，探索热障涂层体系在高温热力耦合下的失效机理。为此，主要研究内容包括：1、以热障涂层金属粘结层为主要研究对象，研究氧化物夹杂对其高温氧化行为的影响。通过量化氧化物夹杂的含量，与氧化膜的生长速率相联系，阐明涂层内部氧化物夹杂对热障涂层金属粘结层内氧化和内氮化行为的影响机制；2，研究尖晶石氧化膜和氧化铝氧化膜协同生长下的涂层物相演变规律，将尖晶石氧化膜和氧化铝氧化膜的生长速率转化为Ni和Al的元素损耗通量，并以此作为边界条件，研究β-NiAl相耗尽区在高温氧化下的数值模型；3、利用小冲杆试验这种小试件测试技术，表征材料在高温热力耦合作用下晶粒形貌的演变过程，并分析晶粒形貌在各个变形阶段的演变过程，着重分析在临界断裂下，晶粒形貌和晶界角的变化，从而阐明在多轴载荷作用下的失效行为。本项目的实施进一步揭示了热障涂层在高温蠕变下的失效机理：1、系统表征金属粘结层和互扩散的微观结构演变过程；2、采用小冲杆试验技术表征了热障涂层金属粘结层的蠕变断裂行为；3、揭示了热障涂层与合金基体在高温环境下的相互作用机理。本项目开发的小冲杆试验技术除可用于本项目所涉及的热障涂层材料的高温蠕变测试工作，还可用于其它涂层材料、金属材料、管道材料等的测试工作，如表征高温合金和结构钢的机械性能等。在本项目的资助下，总计发表国际学术论文13篇，其中以第一作者身份发表论文7篇，获授权发明专利1项，培养博士研究生2名，指导本科生9名，完成了预期研究目标，取得了较好成果。