熱障涂層是先進航空發(fā)動機及燃氣輪機高溫部件的關(guān)鍵防護系統(tǒng)，其直面高溫燃氣的沖刷，發(fā)揮降低金屬構(gòu)件表面溫度的作用。有研究表明，由于熱障涂層的應(yīng)用，發(fā)動機初溫可提高100℃以上。熱障涂層-基體系統(tǒng)由于熱不匹配和熱生長氧化層生長應(yīng)力的作用導(dǎo)致涂層提前失效，使得渦輪葉片服役壽命縮短。因此，有必要對熱障涂層的高溫退化行為開展多因素影響規(guī)律研究，建立綜合考慮幾何特征與材料退化的壽命預(yù)測模型。

近日，中國科學(xué)院工程熱物理研究所開展了陶瓷層服役過程中斷裂韌性、彈性模量/厚度、界面形貌的演化規(guī)律研究，分析了不同噴涂部位曲率、熱載荷等因素對熱障涂層服役壽命的影響，通過引入涂層剩余強度因子，構(gòu)建綜合幾何特征與材料退化的壽命模型，來提升熱障涂層壽命預(yù)測精度。

熱暴露中斷試驗發(fā)現(xiàn)，圓管類試樣失效模式為端部裂紋萌生，受到熱應(yīng)力和生長應(yīng)力驅(qū)動向另一端擴展，形成縱向貫穿裂紋，導(dǎo)致陶瓷層剝落。研究表明，由于氣膜孔應(yīng)力集中，裂紋擴展路徑受到影響，逐漸向孔的部位偏轉(zhuǎn)。熱生長氧化層厚度、陶瓷層彈性模量、硬度及斷裂韌性的演化規(guī)律表明，除斷裂韌性外，其余均表現(xiàn)為冪函數(shù)生長方式。而斷裂韌性受到材料高溫性能退化的影響，呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢。熱生長氧化層厚度在熱暴露條件下對曲率不敏感，圓片試樣的熱生長氧化層厚度主要受溫度影響。

上述研究通過歸納涂層退化試驗規(guī)律，結(jié)合數(shù)值仿真結(jié)果，構(gòu)建出涂層剩余強度因子，并基于涂層剩余強度因子實現(xiàn)對熱障涂層更準(zhǔn)確的壽命預(yù)測。

相關(guān)研究成果發(fā)表在Journal of Engineering for Gas Turbines and Power上。研究工作得到中國科學(xué)院相關(guān)項目的支持。