考虑微观结构特征的热障涂层力-热-化学耦合失效机理研究

Thermal barrier coating system (TBCs) is one of the six core technologies for the high temperature gas turbine blades (above 1400?C). The failure of TBCs directly threatens the safety of gas turbine unit. TBCs failure is the result of many factors action,involving the aspects of scale, physical field and others. To reveal the failure mechanisms is facing the challenges how to characterize the complex microstructure accurately and to establish a multi-field effect failure theory and develop its numerical method. In this project, we will establish a accuracy finite element reconstruction method to characterize the microstructure of TBCs. Then a diffusion-oxidation model, condering the microstructural features of TBCs, will be proposed. Finally, by taking the TBcs material properties of tension-compression inequality into account, a thermal elastic-viscoplasticity constitutive model will be established. Eventually, the chemo-thermo-mechanical multi-field numerical analyses will be implemented to reseach the effects of microstructures, diffusion-oxidation, high-temperature softening, strength properties and creep viscosity on the failure of TBCs. Through the multi-disciplinary intersection of computational materials science, chemistry, thermodynamics and mechanics, the analyses of the chemo-thermo-mechanical coupling effects will be performed to study the multi-factor failure mechanisms of TBCs. The research will contribute to the design and failure analyses of TBCs for hot-end components of high-temperature gas turbine.

热障涂层系统（TBCs）是燃气轮机高温叶片（1400度以上）的六大核心技术之一，其失效破坏直接威胁机组安全。TBCs 失效是尺度、物理等多因素作用的结果，对其机理的揭示面临复杂微观结构真实表征、多场作用失效理论及数值方法等挑战。 本项目拟构建TBCs 微观结构的精确表征方法，建立可考虑其微结构特征的扩散-氧化反应方程，以及可反映TBCs材料拉压不等的热-弹粘塑性本构模型；进而开展基于微结构模型的力-热-化学多场数值分析，研究微观结构、氧化扩散、高温软化、强度特性、蠕变粘性等因素对TBCs 失效机理的影响。 本项目通过计算材料学、化学、热学和力学等学科交叉，开展考虑微结构的力-热-化学三场作用研究，揭示TBCs多因素失效机理，为燃气轮机高温叶片TBCs设计与失效分析提供基础和方法。

高温燃气轮机是我国21世纪最具挑战性、体现国家战略发展核心竞争力的先进动力装备之一。具有阻热防腐功能的热障涂层系统（TBCs）作为燃气轮机热端构件承受极端服役环境不可缺少的关键技术，其在服役中的过早剥落失效，是危及燃气轮机正常工作亟待解决的核心问题。本项目通过研究TBCs在极端环境服役过程中的热氧化物生长（TGO）、材料变形行为、界面形貌特征等因素作用，构建考虑真实微观结构特征的TBCs多场联合失效分析方法，揭示TBCs的微结构影响因素和多物理失效机理，为高温燃气轮机叶片TBCs设计提供参考依据。. 开展了真实微观结构下，TGO生长的理论与数值研究。基于SEM切片图像的直接有限元网格重构方法，构建了可以表征TBCs真实微观结构特征的有限元模型；提出了考虑氧化反应中氧离子消耗的扩散-氧化反应模型，开发了基于ABAQUS商用软件的用户单元子程序（UEL），探究了TGO的生长规律及界面应力的定量预测。. 完善了TBCs材料的本构模型。建立了考虑蠕变-塑性变形行为效应及陶瓷材料拉压强度不等特性的本构模型，开发了回映算法模型，编制了基于ABAQUS商用软件的用户材料子程序（UMAT），阐明了材料非线性变形行为、陶瓷材料拉压不等特性对应力的影响规律。. 开展了控制TGO生长形态来提高界面粘结性的研究。考虑BC中添加稀有元素对TBCs高温氧化行为的影响，研究新型TGO形态的生长过程，探究其对界面应力发展的规律的影响。通过与实验结果对比，揭示此种TGO形态对裂纹扩展的影响机制。. 开展了TBCs力学-化学耦合模型的理论研究。考虑离子浓度引起的化学膨胀对自由能的贡献，以此反映应力引起的离子扩散规律变化对氧化反应的影响，推导得到应力相关的化学势平衡方程、应力梯度相关的氧离子浓度平衡方程以及应力相关的反应速率表达式，揭示了应力对TGO生长的影响规律。. 综上，本项目针对TBCs在力学-化学多场环境下的氧化行为、力学行为展开了较为系统的研究，对揭示TBCs的失效机理，为TBCs的优化、设计具有重要意义。