基體表層改性對(duì)涂層裂紋組態(tài)的影響規(guī)律及機(jī)理研究

以剝落為主的失效問(wèn)題，一直是制約涂層在高溫環(huán)境下應(yīng)用的關(guān)鍵性難題。涂層的熱致剝落驅(qū)動(dòng)力不僅依賴涂層與基體材料在物理、力學(xué)性能方面的本征失配，也與涂層的裂紋組態(tài)密切相關(guān)。本項(xiàng)目基于群體裂紋增韌的思路，采用激光改性技術(shù)預(yù)先對(duì)基體表層進(jìn)行離散處理，研究了涂層中分割裂紋組態(tài)形成的規(guī)律及機(jī)理。通過(guò)對(duì)基體激光離散改性形成“分割涂層”的試驗(yàn)研究、理論建模和數(shù)值計(jì)算，系統(tǒng)總結(jié)了“分割”裂紋密度的影響因素及其影響規(guī)律，得到了分割裂紋組態(tài)形成的主控參數(shù)。 考慮基體表層離散淬火區(qū)對(duì)涂層/基體體系應(yīng)力分布的影響，建立了涂層“分割裂紋”的萌生、擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力的理論模型及計(jì)算方法，揭示了基體激光離散改性形成“分割涂層”的物理機(jī)制。將基體激光淬火區(qū)近似視為呈周期分布的離散夾雜，采用Eshelby本征應(yīng)變(eigenstrain)方法表征由于相變產(chǎn)生的體積應(yīng)變，建立了離散淬火基體/涂層體系的應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)理論模型。采用有限元方法得到了涂層/基體體系的應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)。提出了計(jì)算涂層-基體系統(tǒng)里“分割”裂紋擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力的權(quán)函數(shù)模型，并在此基礎(chǔ)上，采用權(quán)函數(shù)方法確定了“分割裂紋”應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響因素及影響規(guī)律。采用相似理論和量綱分析理論建立各類無(wú)量綱參數(shù)之間的標(biāo)度律。本項(xiàng)目的理論研究與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，將為相關(guān)涂層的延壽設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)與技術(shù)支持。 2100433B

以剝落為主的涂層失效問(wèn)題，一直是制約涂層在高溫環(huán)境下應(yīng)用的核心難題。發(fā)展延緩?fù)繉觿兟涞难訅鄯椒ň哂兄匾膽?yīng)用價(jià)值。涂層的熱致剝落驅(qū)動(dòng)力不僅依賴于涂層與基體材料在物理、力學(xué)性能方面的本征失配，也與涂層的裂紋組態(tài)密切相關(guān)。本項(xiàng)目擬基于群體裂紋增韌的思路，采用激光改性技術(shù)預(yù)先對(duì)基體表層進(jìn)行離散處理，探索在涂層中形成分割裂紋組態(tài)的規(guī)律及機(jī)理。以電沉積鉻涂層/鋼基體為具體研究對(duì)象，通過(guò)改變激光離散處理工藝參數(shù)，系統(tǒng)研究分割裂紋組態(tài)形成的主控參數(shù)?？紤]激光離散處理對(duì)涂層/基體體系的性能及應(yīng)力-應(yīng)變場(chǎng)的影響，建立合適的理論預(yù)測(cè)模型，揭示分割裂紋組態(tài)形成的物理機(jī)制，進(jìn)而提出優(yōu)化控制分割裂紋密度的措施。采用相似理論和量綱分析方法，建立各類無(wú)量綱參數(shù)之間的普遍規(guī)律。本項(xiàng)目的研究結(jié)果將為電沉積鉻涂層的強(qiáng)韌化設(shè)計(jì)及相關(guān)工藝方法推廣應(yīng)用于其它類似涂層提供理論依據(jù)與技術(shù)支持。

層級(jí)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(jìng)爭(zhēng)將改變涂層系統(tǒng)的脫粘失效機(jī)制。本項(xiàng)目采用數(shù)值與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了熱生長(zhǎng)氧化物（TGO）形貌、涂層/基底蠕變、服役條件等因素對(duì)層級(jí)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(kāi)發(fā)了多界面裂紋擴(kuò)展數(shù)值算法，闡明了層級(jí)熱障涂層組元特征對(duì)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(jì)機(jī)制圖。研究表明：（1）層級(jí)熱障涂層在長(zhǎng)時(shí)氧化過(guò)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(wú)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(zhǎng)的影響，TGO生長(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)（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(jí)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(shí)，界面裂紋尖端驅(qū)動(dòng)力對(duì)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(shí)，均會(huì)使得界面裂紋驅(qū)動(dòng)力增加，導(dǎo)致涂層過(guò)早剝落；然而，當(dāng)垂直裂紋密度足夠高時(shí)，上述影響將會(huì)變的十分微弱；因此，在雙陶瓷層熱障涂層內(nèi)主動(dòng)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(shí)，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(guò)程中，粘接層內(nèi)會(huì)發(fā)生垂直裂紋萌生，使兩個(gè)界面同時(shí)發(fā)生開(kāi)裂，弱界面裂紋的競(jìng)爭(zhēng)擴(kuò)展可一定程度提高涂層應(yīng)變?nèi)菹蕖?2100433B

層級(jí)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?jí)間的弱界面會(huì)對(duì)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(jìng)爭(zhēng)機(jī)理對(duì)分析涂層系統(tǒng)失效至關(guān)重要。本項(xiàng)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(duì)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(cè)斷裂實(shí)驗(yàn)，研究層級(jí)熱障涂層中弱界面裂紋的萌生及擴(kuò)展行為，考察層級(jí)組元的幾何、材料、界面形貌等特征對(duì)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(dòng)力的演變規(guī)律，揭示弱界面裂紋間的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)理，初步建立層級(jí)熱障涂層失效準(zhǔn)則。本項(xiàng)目的研究可為新型熱障涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度評(píng)價(jià)提供理論基礎(chǔ)。