層級熱障涂層中弱界面裂紋的相互競爭機(jī)理

層級熱障涂層中陶瓷層間的弱界面顯著影響涂層內(nèi)裂紋的萌生與擴(kuò)展，不同弱界面裂紋的相互競爭將改變涂層系統(tǒng)的脫粘失效機(jī)制。本項目采用數(shù)值與試驗相結(jié)合的方法，研究了熱生長氧化物（TGO）形貌、涂層/基底蠕變、服役條件等因素對層級熱障涂層應(yīng)力演化的影響規(guī)律，獲得了裂紋萌生機(jī)理；開發(fā)了多界面裂紋擴(kuò)展數(shù)值算法，闡明了層級熱障涂層組元特征對弱界面裂紋擴(kuò)展行為的影響，建立了涂層系統(tǒng)增韌結(jié)構(gòu)設(shè)計機(jī)制圖。研究表明：（1）層級熱障涂層在長時氧化過程中，由于高溫蠕變的作用，將使涂層系統(tǒng)在高溫下形成無應(yīng)力狀態(tài)，而在服役冷卻階段，殘余應(yīng)力幾乎不受TGO生長的影響，TGO生長導(dǎo)致的非彈性變形才是涂層裂紋萌生的主要原因，而非傳統(tǒng)認(rèn)為的高溫生長應(yīng)力；（2）粗糙界面導(dǎo)致的應(yīng)力集中主要集中在局部區(qū)域范圍，當(dāng)內(nèi)陶瓷層厚度足夠厚時（大于90 μm），TGO引起的應(yīng)力集中區(qū)域與陶瓷層間粗糙界面的應(yīng)力集中區(qū)域互不影響；（3）雙陶瓷層熱障涂層熱震壽命、剝離速率及失效模式均與兩層陶瓷層的厚度比密切相關(guān)，隨著外陶瓷層與內(nèi)陶瓷層厚度比增加，涂層系統(tǒng)的失效模式逐漸從外陶瓷層的層狀剝落，轉(zhuǎn)變成陶瓷層間弱界面附近處的剝離；（4）表面裂紋密度是影響層級熱障涂層界面裂紋擴(kuò)展行為的關(guān)鍵因素，當(dāng)表面裂紋密度較低時，界面裂紋尖端驅(qū)動力對陶瓷層之間的材料性能和幾何參數(shù)十分敏感，即陶瓷層總厚度較厚、外陶瓷層的厚度比較高、或外陶瓷層模量較高時，均會使得界面裂紋驅(qū)動力增加，導(dǎo)致涂層過早剝落；然而，當(dāng)垂直裂紋密度足夠高時，上述影響將會變的十分微弱；因此，在雙陶瓷層熱障涂層內(nèi)主動預(yù)制足夠密集的垂直裂紋，可允許使用更厚和剛度更高的外陶瓷層，從而獲得更好的隔熱性能;（5）當(dāng)粘結(jié)層具有中等程度的斷裂韌性時，陶瓷層內(nèi)的垂直裂紋首先偏轉(zhuǎn)進(jìn)入陶瓷層與粘接層界面，在該界面裂紋擴(kuò)展過程中，粘接層內(nèi)會發(fā)生垂直裂紋萌生，使兩個界面同時發(fā)生開裂，弱界面裂紋的競爭擴(kuò)展可一定程度提高涂層應(yīng)變?nèi)菹蕖?2100433B

層級熱障涂層是解決重型燃?xì)廨啓C(jī)高溫部件超高溫?zé)嵴系闹匾侄?，陶瓷層級間的弱界面會對涂層系統(tǒng)的失效機(jī)理產(chǎn)生顯著影響。因此，研究涂層中弱界面裂紋間的競爭機(jī)理對分析涂層系統(tǒng)失效至關(guān)重要。本項目以新型耐高溫材料涂覆于傳統(tǒng)陶瓷涂層上形成的雙陶瓷層熱障涂層為對象，發(fā)展處理異質(zhì)材料界面多裂紋任意路徑擴(kuò)展數(shù)值算法，結(jié)合原位觀測斷裂實驗，研究層級熱障涂層中弱界面裂紋的萌生及擴(kuò)展行為，考察層級組元的幾何、材料、界面形貌等特征對弱界面裂紋擴(kuò)展路徑的影響機(jī)制，分析不同弱界面處裂紋裂尖驅(qū)動力的演變規(guī)律，揭示弱界面裂紋間的競爭機(jī)理，初步建立層級熱障涂層失效準(zhǔn)則。本項目的研究可為新型熱障涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計和強(qiáng)度評價提供理論基礎(chǔ)。

熱障涂層系統(tǒng)要求涂層既有良好的隔熱效果，又有抗高溫氧化及熱沖擊性能。針對在腐蝕介質(zhì)中的特殊要求，還要具有高溫耐蝕性能。熱障涂層的基本設(shè)計思想就是利用陶瓷的高耐熱性、抗腐蝕性和低導(dǎo)熱性，實現(xiàn)對基體合金材料的保護(hù)。熱障涂層主要由陶瓷表層和結(jié)合底層所組成。

熱障涂層不僅可以達(dá)到提高抗腐蝕能力，進(jìn)一步提高發(fā)動機(jī)工作溫度，而且可以減少燃油消耗(據(jù)估計近20%)、延長熱端部件的使用壽命；與開發(fā)新的高溫合金材料比較，熱障涂層技術(shù)的研究發(fā)展成本要低得多，工藝也現(xiàn)實可行。因此，熱障涂層技術(shù)成為未來發(fā)動機(jī)熱端部件高溫防護(hù)涂層技術(shù)的發(fā)展方向。另外，熱障涂層在輪船、汽車、能源等領(lǐng)域的熱端部件上也有著廣泛的應(yīng)用與研究。 2100433B

美國NASA( Nat ionalAeronautics and Space Adm in istration) - Lewis研究中心為了提高燃?xì)鉁u輪葉片、火箭發(fā)動機(jī)的抗高溫和耐腐蝕性能,早在二十世紀(jì)50年代就提出了熱障涂層概念。在涂層的材料選擇和制備工藝上進(jìn)行較長時間的探索后, 80年代初取得了重大突破,為熱障涂層的應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)。文獻(xiàn)表明, 先進(jìn)熱障涂層能夠在工作環(huán)境下降低高溫發(fā)動機(jī)熱端部件溫度170K左右。隨著熱障涂層在高溫發(fā)動機(jī)熱端部件上的應(yīng)用, 人們認(rèn)識到熱障涂層的應(yīng)用不僅可以達(dá)到提高基體抗高溫腐蝕能力, 進(jìn)一步提高發(fā)動機(jī)工作溫度的目的,而且可以減少燃油消耗、提高效率、延長熱端部件的使用壽命。與開發(fā)新型高溫合金材料相比, 熱障涂層的研究成本相對較低, 工藝也現(xiàn)實可行。

裂紋的形成是連鑄過程中力學(xué)因素和冶金特性綜合作用的結(jié)果，從裂紋的形成到出現(xiàn)，必須有作用應(yīng)力，且材料本身不能承受此應(yīng)力。因此，要理解連鑄中各類裂紋的形成過程，就需要了解應(yīng)力源和材料的高溫特性，特別是延展性。而且需要指出的是，裂紋形成不見得均勻進(jìn)行，可能有明顯的裂紋開始和擴(kuò)張階段。下面就幾種典型的表面裂紋和內(nèi)部裂紋的形成機(jī)理進(jìn)行分析。

連鑄坯裂紋表面橫向裂紋的形成機(jī)理

有證據(jù)表明，表面橫向裂紋的早期形成階段，出現(xiàn)在結(jié)晶器內(nèi)的高溫區(qū)，并且與振痕附近的偏析有關(guān)。這些區(qū)域熔點低，且由于向結(jié)晶器的熱傳輸降低，而使溫度較高，從而導(dǎo)致熱扯裂。當(dāng)碳含量達(dá)到出現(xiàn)包晶的程度時，表面橫向裂紋增加，盡管表面橫向裂紋的早期形成階段，可能位于結(jié)晶器內(nèi)，但這些缺陷變大、變多則是在結(jié)晶器之后的低溫區(qū)，當(dāng)其受到來自各種渠道的應(yīng)力作用，特別是象鑄坯矯直時那樣的應(yīng)力作用時，當(dāng)這些應(yīng)力出現(xiàn)在延展性差的溫度范圍內(nèi)，表面橫向裂紋很嚴(yán)重。由于熱延展性受微合金影響強(qiáng)烈，所以有報道認(rèn)為，這就是微合金元素影響表面橫向裂紋的機(jī)理，除微合金元素析出物在表面橫向裂紋的形核方面起一定作用外，振痕也有利于裂紋的擴(kuò)張。這是由于振痕下的晶粒尺寸較粗大，且凹口形的幾何形狀也會使應(yīng)力集中。

連鑄坯裂紋表面縱向裂紋的形成機(jī)理

連鑄坯表面縱向裂紋的產(chǎn)生往往與表面縱向凹陷相伴隨。據(jù)認(rèn)為，連鑄坯表面縱向凹陷、裂紋是在結(jié)晶器彎月面附近產(chǎn)生，在二冷區(qū)得到擴(kuò)展，因此，其根源在于鋼水在結(jié)晶器內(nèi)的凝固行為及其影響因素。各種原因?qū)е碌牟痪鶆騻鳠岷筒痪鶆蚰虝斐设T坯凹陷，凹陷部位冷卻和凝固速度比其他部位慢，結(jié)晶組織粗化，對裂紋敏感性強(qiáng)。坯殼出結(jié)晶器后受到噴水冷卻和鋼水靜壓力引起的膨脹作用，在凹陷的薄弱處造成應(yīng)力集中而產(chǎn)生裂紋。坯殼表面凹陷越深，坯殼厚度不均勻性就越嚴(yán)重，縱裂出現(xiàn)的幾率越大。

成分、結(jié)晶器狀況、過熱度、拉速、保護(hù)渣甚至是操作等導(dǎo)致的不均勻傳熱，都增加了鑄坯產(chǎn)生表面縱向凹陷和裂紋的幾率。

連鑄坯裂紋內(nèi)部裂紋的形成機(jī)理

最初在結(jié)晶器中形成的2-5mm厚的凝固殼為細(xì)小的等軸晶，之后凝固組織變?yōu)橹鶢罹?。柱狀晶的方向基本上與坯殼表面垂直，且平行于熱流方向。隨著凝固的進(jìn)行，S,P等元素發(fā)生偏析，在固液界面前沿及枝晶之間富集。含S,P較高的晶界在大體積材料的固相線溫度Tsol下仍處于液態(tài)，對于與柱狀晶方向垂直的拉應(yīng)力或拉應(yīng)變而言，處于液相的晶界幾乎沒有塑性。開始出現(xiàn)零塑性的溫度ZDT比固相線溫度低30 ~ 70℃,當(dāng)結(jié)晶器摩擦力引起的應(yīng)力、坯殼鼓肚應(yīng)力、熱應(yīng)力、矯直應(yīng)力、以及由于導(dǎo)輥變形、不對中引起的附加機(jī)械應(yīng)力作用于凝固前沿時，凝固界面率先沿柱狀晶晶界開裂形成裂紋，并向固相擴(kuò)展，同時凝固前沿富含溶質(zhì)元素的鋼水有可能被“抽吸”進(jìn)入裂紋。這就是內(nèi)裂紋有時伴隨著偏折線一起出現(xiàn)的原因。

初始形成的裂紋沿柱狀晶晶界向固相擴(kuò)展，由于溫度逐漸降低，塑性和強(qiáng)度逐漸上升，或遇到表層等軸晶區(qū)，裂紋擴(kuò)展被抑制。在隨后的凝固過程中，如果凝固前沿繼續(xù)受到應(yīng)力或應(yīng)變的作用，則已形成的內(nèi)裂紋將隨著凝固界面的推進(jìn)而連續(xù)“生長” 。