● 摘要
具有隔热与抗氧化腐蚀功能的热障涂层对于提高先进航空发动机涡轮前进口温度、延长热端部件使用寿命具有重要的作用。随着热障涂层在先进航空发动机叶片上的应用不断增加，其服役寿命评估预测的重要性越来越显著。国内外在服役寿命评估预测方面开展了大量的研究工作，但由于热障涂层的结构特点、加之其结构和材料参数在服役过程中变化，使得其材料参数难以准确测量，极大程度地限制了热障涂层服役寿命评估预测的可靠性。本论文研究工作针对热障涂层材料参数测量难的问题，在本课题组已有高温结构材料服役环境模拟装置基础上，基于双光束电子散斑干涉和数字图像相关技术，设计了光学测试系统及热力加载系统，建立了材料高温表面二维变形场动态测量装置，重点解决了光学测量过程中加热体红外线等杂光干扰、高温材料表面热气流折射以及金属材料表面高温氧化等难题，实现了原位热力耦合条件下的高温变形测量。同时将数字图像相关技术与扫描电镜原位力学加载及高温金相显微镜原位热加载相结合，建立了材料微观表面二维变形场的定量测量方法。并以TiAl、NiAl等金属间化合物为实验载体验证了以上方法的可行性。基于以上方法，对热障涂层系统的热膨胀系数测量、高温弹性模量测量、陶瓷层相变和陶瓷层表面及纵向裂纹面烧结与相关失效模式进行了研究。实现了对电子束物理气相沉积（EB-PVD）和等离子喷涂（PS）制备的氧化钇部分稳定的氧化锆（YSZ）热障涂层及冷压烧结YSZ块材室温至1100℃热膨胀系数的定量测量。建立了利用热加载方式测量EB-PVD三层涂层体系各层弹性模量比的数学模型及测量方法，利用高温金相显微镜实现了600℃~1100℃温度段的陶瓷层、粘结层及基体的高温弹性模量的测量。为涂层系统高温弹性模量的定量评估提出了一种切实可行的方法。实现了升降温过程中YSZ陶瓷单斜相与四方相之间相互转变过程中的相变应变量的实验测量。获得了1450℃下热暴露EB-PVD YSZ涂层中相变应变量随暴露时间的演变规律，量化了升降温过程中相变的不完全性。并通过平直界面及含缺陷界面的应力分析，研究了相变应变对陶瓷层和TGO层界面附近应力的影响，以及合理相含量的初步确定。将数字图像相关技术应用于热障涂层陶瓷层烧结应变测量分析，获得了陶瓷层面内以及陶瓷层纵向裂纹面的烧结动力学规律。基于该测量结果结合有限元分析发现了引起陶瓷层内部横向裂纹萌生的主要驱动力。在传统的基于弯曲梁理论的横向裂纹能量释放率分析中增加了烧结应力的作用分量，得到了高致密度（弹性模量）陶瓷层与烧结应力对横向裂纹萌生以及扩展的促进规律。基于此提出了与裂纹面烧结有关的陶瓷层横向裂纹萌生及扩展的失效模式。