基于損傷表征的熱障涂層壽命預(yù)測(cè)模型建立

熱障涂層是先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)高溫部件的關(guān)鍵防護(hù)系統(tǒng)，其直面高溫燃?xì)獾臎_刷，發(fā)揮降低金屬構(gòu)件表面溫度的作用。有研究表明，由于熱障涂層的應(yīng)用，發(fā)動(dòng)機(jī)初溫可提高100℃以上。熱障涂層-基體系統(tǒng)由于熱不匹配和熱生長(zhǎng)氧化層生長(zhǎng)應(yīng)力的作用導(dǎo)致涂層提前失效，使得渦輪葉片服役壽命縮短。因此，有必要對(duì)熱障涂層的高溫退化行為開(kāi)展多因素影響規(guī)律研究，建立綜合考慮幾何特征與材料退化的壽命預(yù)測(cè)模型。

近日，中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所開(kāi)展了陶瓷層服役過(guò)程中斷裂韌性、彈性模量/厚度、界面形貌的演化規(guī)律研究，分析了不同噴涂部位曲率、熱載荷等因素對(duì)熱障涂層服役壽命的影響，通過(guò)引入涂層剩余強(qiáng)度因子，構(gòu)建綜合幾何特征與材料退化的壽命模型，來(lái)提升熱障涂層壽命預(yù)測(cè)精度。

熱暴露中斷試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，圓管類試樣失效模式為端部裂紋萌生，受到熱應(yīng)力和生長(zhǎng)應(yīng)力驅(qū)動(dòng)向另一端擴(kuò)展，形成縱向貫穿裂紋，導(dǎo)致陶瓷層剝落。研究表明，由于氣膜孔應(yīng)力集中，裂紋擴(kuò)展路徑受到影響，逐漸向孔的部位偏轉(zhuǎn)。熱生長(zhǎng)氧化層厚度、陶瓷層彈性模量、硬度及斷裂韌性的演化規(guī)律表明，除斷裂韌性外，其余均表現(xiàn)為冪函數(shù)生長(zhǎng)方式。而斷裂韌性受到材料高溫性能退化的影響，呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢(shì)。熱生長(zhǎng)氧化層厚度在熱暴露條件下對(duì)曲率不敏感，圓片試樣的熱生長(zhǎng)氧化層厚度主要受溫度影響。

上述研究通過(guò)歸納涂層退化試驗(yàn)規(guī)律，結(jié)合數(shù)值仿真結(jié)果，構(gòu)建出涂層剩余強(qiáng)度因子，并基于涂層剩余強(qiáng)度因子實(shí)現(xiàn)對(duì)熱障涂層更準(zhǔn)確的壽命預(yù)測(cè)。

相關(guān)研究成果發(fā)表在Journal of Engineering for Gas Turbines and Power上。研究工作得到中國(guó)科學(xué)院相關(guān)項(xiàng)目的支持。