層級熱障涂層中弱界面裂紋的相互競爭機理

層級熱障涂層中陶瓷層間的弱界面顯著影響涂層內裂紋的萌生與擴展，不同弱界面裂紋的相互競爭將改變涂層系統(tǒng)的脫粘失效機制。本項目采用數(shù)值與試驗相結合的方法，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力演化的影響規(guī)律，獲得了裂紋萌生機理；開發(fā)了多界面裂紋擴展數(shù)值算法，闡明了層級熱障涂層組元特征對弱界面裂紋擴展行為的影響，建立了涂層系統(tǒng)增韌結構設計機制圖。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)在高溫下形成無應力狀態(tài)，而在服役冷卻階段，殘余應力幾乎不受TGO生長的影響，TGO生長導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)認為的高溫生長應力；（2）粗糙界面導致的應力集中主要集中在局部區(qū)域范圍，當內陶瓷層厚度足夠厚時（大于90 μm），TGO引起的應力集中區(qū)域與陶瓷層間粗糙界面的應力集中區(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，隨著外陶瓷層與內陶瓷層厚度比增加，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展行為的關鍵因素，當表面裂紋密度較低時，界面裂紋尖端驅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動力增加，導致涂層過早剝落；然而，當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主動預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）當粘結層具有中等程度的斷裂韌性時，陶瓷層內的垂直裂紋首先偏轉進入陶瓷層與粘接層界面，在該界面裂紋擴展過程中，粘接層內會發(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展可一定程度提高涂層應變容限。 2100433B

層級熱障涂層是解決重型燃氣輪機高溫部件超高溫熱障的重要手段，陶瓷層級間的弱界面會對涂層系統(tǒng)的失效機理產生顯著影響。因此，研究涂層中弱界面裂紋間的競爭機理對分析涂層系統(tǒng)失效至關重要。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)展處理異質材料界面多裂紋任意路徑擴展數(shù)值算法，結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展路徑的影響機制，分析不同弱界面處裂紋裂尖驅動力的演變規(guī)律，揭示弱界面裂紋間的競爭機理，初步建立層級熱障涂層失效準則。本項目的研究可為新型熱障涂層結構設計和強度評價提供理論基礎。

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。針對在腐蝕介質中的特殊要求，還要具有高溫耐蝕性能。熱障涂層的基本設計思想就是利用陶瓷的高耐熱性、抗腐蝕性和低導熱性，實現(xiàn)對基體合金材料的保護。熱障涂層主要由陶瓷表層和結合底層所組成。

熱障涂層不僅可以達到提高抗腐蝕能力，進一步提高發(fā)動機工作溫度，而且可以減少燃油消耗(據估計近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，熱障涂層技術成為未來發(fā)動機熱端部件高溫防護涂層技術的發(fā)展方向。另外，熱障涂層在輪船、汽車、能源等領域的熱端部件上也有著廣泛的應用與研究。 2100433B

美國NASA( Nat ionalAeronautics and Space Adm in istration) - Lewis研究中心為了提高燃氣渦輪葉片、火箭發(fā)動機的抗高溫和耐腐蝕性能,早在二十世紀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,為熱障涂層的應用奠定了堅實基礎。文獻表明, 先進熱障涂層能夠在工作環(huán)境下降低高溫發(fā)動機熱端部件溫度170K左右。隨著熱障涂層在高溫發(fā)動機熱端部件上的應用, 人們認識到熱障涂層的應用不僅可以達到提高基體抗高溫腐蝕能力, 進一步提高發(fā)動機工作溫度的目的,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因素和冶金特性綜合作用的結果，從裂紋的形成到出現(xiàn)，必須有作用應力，且材料本身不能承受此應力。因此，要理解連鑄中各類裂紋的形成過程，就需要了解應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行，可能有明顯的裂紋開始和擴張階段。下面就幾種典型的表面裂紋和內部裂紋的形成機理進行分析。

連鑄坯裂紋表面橫向裂紋的形成機理

有證據表明，表面橫向裂紋的早期形成階段，出現(xiàn)在結晶器內的高溫區(qū)，并且與振痕附近的偏析有關。這些區(qū)域熔點低，且由于向結晶器的熱傳輸降低，而使溫度較高，從而導致熱扯裂。當碳含量達到出現(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，可能位于結晶器內，但這些缺陷變大、變多則是在結晶器之后的低溫區(qū)，當其受到來自各種渠道的應力作用，特別是象鑄坯矯直時那樣的應力作用時，當這些應力出現(xiàn)在延展性差的溫度范圍內，表面橫向裂紋很嚴重。由于熱延展性受微合金影響強烈，所以有報道認為，這就是微合金元素影響表面橫向裂紋的機理，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力集中。

連鑄坯裂紋表面縱向裂紋的形成機理

連鑄坯表面縱向裂紋的產生往往與表面縱向凹陷相伴隨。據認為，連鑄坯表面縱向凹陷、裂紋是在結晶器彎月面附近產生，在二冷區(qū)得到擴展，因此，其根源在于鋼水在結晶器內的凝固行為及其影響因素。各種原因導致的不均勻傳熱和不均勻凝固會造成鑄坯凹陷，凹陷部位冷卻和凝固速度比其他部位慢，結晶組織粗化，對裂紋敏感性強。坯殼出結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力集中而產生裂紋。坯殼表面凹陷越深，坯殼厚度不均勻性就越嚴重，縱裂出現(xiàn)的幾率越大。

成分、結晶器狀況、過熱度、拉速、保護渣甚至是操作等導致的不均勻傳熱，都增加了鑄坯產生表面縱向凹陷和裂紋的幾率。

連鑄坯裂紋內部裂紋的形成機理

最初在結晶器中形成的2-5mm厚的凝固殼為細小的等軸晶，之后凝固組織變?yōu)橹鶢罹АＶ鶢罹У姆较蚧旧吓c坯殼表面垂直，且平行于熱流方向。隨著凝固的進行，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力或拉應變而言，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℃,當結晶器摩擦力引起的應力、坯殼鼓肚應力、熱應力、矯直應力、以及由于導輥變形、不對中引起的附加機械應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，并向固相擴展，同時凝固前沿富含溶質元素的鋼水有可能被“抽吸”進入裂紋。這就是內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展，由于溫度逐漸降低，塑性和強度逐漸上升，或遇到表層等軸晶區(qū)，裂紋擴展被抑制。在隨后的凝固過程中，如果凝固前沿繼續(xù)受到應力或應變的作用，則已形成的內裂紋將隨著凝固界面的推進而連續(xù)“生長” 。