热障涂层强度机理研究现状及展望reviewandperspectiveonrecent

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1、热障涂层强度机理研究现状及展望张伟旭*，范学领，王铁军（西安交通大学航天航空学院机械结构强度与振动国家重点实验室，陕西西安710049）摘要：热障涂层是重型燃气轮机和航空发动机关键技术之一，其主要用于对热端部件进行热防护和腐蚀防护。为保证热障涂层可靠服役，必须阐明其强度机理。近10年来，热障涂层强度研究从基于薄膜力学的宏观分析逐渐深入到涂层内微结构的影响，从热应力失效分析逐渐过渡到力、热、化学与扩散联合作用的多场耦合分析。本文从理论与实验两方面简述了近10年国内外热障涂层强度研究的主要进展，着重介绍了作者所在课题组的研究进展，最后对热障涂层强度研究进行了展望。关

2、键词：固体力学；热障涂层；强度与断裂ReviewandPerspectiveonRecentProgressinStrengthofThermalBarrierCoatingZHANGWeixu,FANXueling,WANGTiejun（StateKeyLaboratoryofStructuralStrengthandVibration,SchoolofAerospace,Xi'anJiaotongUniversity,Xi'an710049,ShaanxiProvince,China）Abstract:Thermalbarriercoating,asthet

3、hermalanderosionbarrierofhotcomponents,isakeytechnologyofheavy-dutygasturbineandaerialengine.Inthelasttendecade,researchonstrengthofthermalbarriercoatinggraduallyshiftedfromthemacroscopicanalysisbasedonfilmmechanicsintotheinvestigationoneffectofmicrostructureoncoating’sstrength,fromt

4、hepuremechanicaleffecttothemechanical–thermo–chemocouplingeffect.Wepresentabriefreviewontheglobeadvancesinthermalbarriercoatingsstrengthfromtheoryandexperiment,andanintroductionontheresearchinourgroup.Atthelastwegiveaprospectiveonresearchtrend.Keywords:solidmechanics,thermalbarrierco

5、ating,strengthandfracture热障涂层（ThermalBarrierCoating，TBC）是能源、航空等领域的关键技术，其主要对重型燃气轮机和航空发动机的热端部件进行热防护和腐蚀防护。为了追求更高的能源转化效率和推重比，燃机透平进口温度不断提高。目前国际最先进的J级重型燃气轮机透平进口温度高达1600℃，新一代战机发动机进口温度增加到了1700℃以上，该温度已超过了高温合金材料的耐热极限，必须采用TBC对热端部件进行热防护。TBC由顶层陶瓷层（TopCoating，TC），粘结层（BondCoating，BC）高温合金基底（Substrat

6、e）及粘结层与陶瓷之间形成的热生长氧化层组成（ThermallyGrownOxide，TGO），如图1所示。TBC能将金[1]属基体温度降低100度左右，使其免受高温氧化、腐蚀、磨损和冲蚀，从而提升高温部件的使用寿命。基金项目：国家自然科学基金（11172227，10902081，11272259，11002104，11021202）、国家973课题（2013CB035701）和中央高校基本科研费资助作者简介：张伟旭，男，西安交通大学工程力学系副教授，中国力学学会会员，会员登记号S031302015M，主要研究方向：塑性力学，细观力学，纳米力学，热障涂层。Ema

7、il：zhangwx@mail.xjtu.edu.cn1TBC按制备工艺可大致分为等离子喷涂（PlasmaSpray，PS）工艺涂层和电子束物理气相沉积（ElectronBeamPhysicalVaporDeposition,EB-PVD）工艺涂层。PS制备的TBC为片状层结构，隔热性能好，制备效率高，界面强度略低，抗热冲击性能略差，一般用于长期运行的发电用燃气轮机高温部件。EB-PVD制备的涂层呈柱状晶结构，应变容许度高，界面强度高，抗热冲击性能优，制备效率低，主要用于频繁启停的航空发动机的热端部件。热障涂层结构如图1所示。两种工艺下涂层性能的差异主要是因为其

8、微结构不同，这说明材料的