● 摘要
热障涂层被广泛地应用于燃气涡轮发动机的热端部件上，它能够降低金属基体的温度提高部件的使用寿命。然而在高温环境下，热障涂层通常由于陶瓷层的剥离发生失效。针对航空领域高安全性、高可靠性的要求，热障涂层失效机理和寿命预测成为研究的热点问题之一。本文结合国内外热障涂层发展与应用现状，以等离子热障涂层为研究对象，开展涂层失效机理和基于微观特征的耦合氧化损伤和高温热疲劳损伤的寿命预测模型的研究，为未来热障涂层的应用和研究提供参考。首先，开展等离子热障涂层高温氧化实验，根据实验结果研究高温氧化过程中粘结层的微观结构变化特征，确定引起热障涂层失效的机理，并利用电子探针测得氧化后粘结层中的Al浓度，结合菲克第二定律建立粘结层Al贫化的数学模型。接着，利用有限元方法对带等离子涂层圆管进行热疲劳数值模拟，建立基于细观的二维轴对称有限元模型，详细分析陶瓷层内部靠近界面处和热生长氧化层中的应力场，研究涂层破坏的机理，并为寿命预测模型提供应变范围控制参量。同时提出了热生长氧化层非均匀增长的细观模型，为进一步研究等离子涂层的微观形貌奠定基础。其次，把粘结层Al浓度作为耦合氧化损伤的控制参量引入已有的寿命预测模型，结合文献中的热疲劳实验数据，建立氧化损伤和热疲劳损伤耦合作用的等离子热障涂层寿命预测模型。 最后，开展带等离子涂层涡轮转子叶片的热疲劳和隔热效果分析，并利用新建立的寿命预测模型对其进行寿命预测。