热障涂层力学性能的实验测试方法研究进展

涂层-基体体系作为高温热障防护结构被广泛应用于航空、航天、核反应堆等涡轮发动机叶片上, 主要作用是抵抗高温燃气, 保护基体材料. 在服役过程中, 涂层过早出现开裂、脱粘等失效行为直接影响发动机的安全性和可靠性. 长期以来, 热障涂层力学性能的实验测试方法是国内外研究者关注的重点. 首先分析了导致热障涂层失效的失配应力的来源, 重点介绍了热障涂层力学性能研究的实验测试方法、仪器和针对界面脱粘检测的红外热像技术, 接着概述了热障涂层寿命预测方法, 最后分析当前研究中存在的问题, 并对未来的发展的一些方向和有待于进一步研究的问题作了总结.     

热障涂层层裂断裂性能的研究

热障涂层在高温工作环境下,由于热梯度产生的热应力不匹配会导致热障涂层层裂或剥落失效.本文针对热障涂层层裂问题,考虑温度梯度引起的热应力不匹配因素,建立热障涂层层裂I/II复合型断裂准则,并针对分层裂纹在陶瓷层与粘结层界面上和附近的三种存在形式,进行了热障涂层结构单裂纹层裂的算例分析.结果表明界面处层裂纹对应变能释放率影响最大.     

热障涂层的破坏机理与寿命预测

热障涂层作为航空发动机和燃气轮机高温部件的关键材料, 其破坏机理与寿命预测是热障涂层研究中急需解决的关键问题. 本文回顾了热障涂层的发展历史与研究现状, 着重介绍了国内外关于热障涂层破坏机理、实验检测技术、实验模拟系统以及寿命预测研究方面的最新成果, 展望了热障涂层研究的发展趋势.     

重型燃气轮机高温透平叶片热障涂层系统中的应力和裂纹问题研究进展

燃气轮机是清洁高效火电能源系统的核心动力装备之一,是关乎国家能源安全和国防安全的战略高技术,是国家重大装备制造水平的标志,被誉为制造业王冠上的明珠。透平前燃气温度代表了燃气轮机的技术水平,人们一直在不断地追求燃气温度的提高。目前,国际最先进的重型燃气轮机的透平前燃气温度已达1600?C,未来还将向1700?C及以上发展。这种极端高温服役环境对高温透平叶片的设计和制造提出了严峻挑战,热障涂层（TBC）技术是解决这一问题的核心技术之一,在燃气轮机发展进程中发挥了重要作用,它不仅具有热障效果,而且还能防止氧化、腐蚀、外来物冲蚀等对叶片造成的损伤。因此,深入研究TBC的失效机理及其影响因素,对TBC的设计、制备及强度评价具有重要意义,对燃气轮机的安全服役具有重要作用。本文拟介绍重型燃气轮机高温透平叶片TBC系统中应力和裂纹问题的国内外最新研究进展,涉及理论、实验和数值分析几个方面。主要内容包括：TBC制备过程中的热应力,热生长氧化物（TGO）及其诱发的生长应力,TBC中的表面裂纹、界面裂纹及表界面裂纹间的竞争,TBC双轴强度评价方法,先进层级TBC中的表面和界面裂纹及其竞争,表面环境沉积物（CMAS）渗入诱发的涂层脱粘行为,陶瓷层烧结及其对TBC开裂的影响等。     

热障涂层的冲蚀破坏机理研究进展

耐高温、高隔热的热障涂层(thermal barrier coatings, TBCs) 技术因为能降低基底的工作温度, 提高 发动机的性能与热效率, 已经成为了航空发动机的关键热防护技术. 航空发动机在飞行过程中, 将不可避免地 受到燃烧室内各种杂质及外来颗粒的撞击, 从而发生冲蚀失效, 这一失效已成为制约TBCs 服役性能及其安 全应用的关键问题. 本文介绍了TBCs 冲蚀破坏机理的实验研究、有限元模拟、理论分析、试验模拟系统以及 实验检测技术方面的最新成果, 展望了TBCs 冲蚀机理研究的重点.      

热障涂层氧化残余应力大小与演化过程测试

热障涂层是一种应用广泛的提高高温部件工作效率的技术,在通常的涂层中,粘结层起到过渡和保护基体氧化的作用,在高温环境下,粘结层会发生氧化,而氧化产生的残余应力将引起热障涂层的损伤,表现为涂层的屈曲、起裂和剥落,导致热障涂层失效。研究测试和检测涂层的残余应力,对于评估涂层的安全性和寿命是非常重要的。本文用应力引起光学频谱位移的方法测试了空气等离子喷涂热障涂层中残余应力的大小及分布,并测试了残余应力的大小随氧化时间的演化过程。     

热障涂层-基体体系界面高温疲劳和断裂性能的实验研究

热障涂层(TBCs)作为发动机叶片的热防护涂层,能够显著提高叶片在高温环境下的使用寿命.本文围绕TBCs-镍基高温合金基体体系的界面性能,展开了比较系统的实验研究.通过实验方法得到了等温热处理前后陶瓷层的弹性模量、硬度及陶瓷层-粘结层界面的微结构的变化.结果显示,随着等温热处理时间的增加,弹性模量及硬度先增加后降低;氧化层随等温热处理时间和温度的增加逐渐增厚.利用本文提出的多相位角界面断裂韧性试验方法,建立了以应力强度因子为表征参数的TBCs界面失效准则.在假定界面间为粘性接触的条件下,预测了界面承载能力随陶瓷层弹性模量和氧化层厚度的变化趋势.通过热循环实验研究了TBCs-基体体系的热疲劳性能及失效机理.随着热循环高温保温时间的增加,热疲劳寿命先升高后降低,失效模式由界面失效转化为界面失效与陶瓷层失效并存;体系的失效由陶瓷层及氧化层的应变能密度、陶瓷层、氧化层及界面的断裂韧性,以及它们和界面微结构缺陷的相互作用共同决定.     

平头压痕试验确定热障涂层弹性模量的方法研究

本文模拟了典型热障涂层(TBC)结构在平头压痕作用下的力学响应,重点研究利用平头压痕法确定TBC涂层弹性模量的方法。研究发现k(单位压入应力下压头的压入位移)不仅与材料的性质有关,还与压头的半径有关。本文提出:通过两个不同尺寸的平压头可以同时确定陶瓷层和粘结层的弹性模量。     

基于圆筒模型的热障涂层安定分析

热载荷作用下,由于热障涂层(thermal barrier coatings, TBCs) 各层材料的热不匹配以及材料参数的温度相关等因素,会使热障涂层界面区域存在复杂的应力应变场,影响系统安定性,并导致涂层开裂和剥落. 将热障涂层外凸和内凹微观界面结构简化为多层圆筒模型,借助经典机动安定定理,利用特雷斯卡(Tresca) 屈服准则和增量破坏准则处理对时间的积分问题,避免了常规安定性分析的数学规划问题,建立了热障涂层安定极限分析方法,将材料屈服强度随温度变化关系简化为双线性关系,利用补偿变换的方法简化求解过程,对典型热障涂层安定性进行了研究. 结果表明,利用基于圆筒的安定极限分析方法,能够方便求解安定极限,便于工程应用;热障涂层安定极限值明显高于弹性设计值,且界面外凸区域安定极限高于内凹区域极限值,结构首先在内凹处失效;圆筒模型基体曲率和涂层厚度越大,结构安定极限越高,分析结果与试验结果一致;所建立的热障涂层安定分析方法,对进一步研究考虑蠕变因素影响的热障涂层安定性具有重要意义.      

热障涂层弹性模量和残余应力测试研究

采用数字图像相关法实验研究了热喷涂制作的热障涂层的弹性模量和残余应力。首先,采用三点弯测试方法对热障涂层试件进行加载,并利用二维数字图像相关方法对热障涂层试件加装过程中的弯曲变形进行了精确的测量,进而获得了热障涂层在受拉和受压两种状态下的弹性模量,结果表明,受拉时热障涂层试件陶瓷层的弹性模量为31GPa,而受压时其弹性模量为34GPa。其次,基于内力平衡,推导了考虑曲率变化的涂层残余应力计算公式;利用三维数字图像相关法测量了喷涂前后基体曲率的变化,进而获得了涂层残余应力的大小,结果表明,热喷涂后的热障涂层残余应力为压应力,大小为-86^-70MPa。     

Microstructural and mechanical properties of thermal barrier coating at 1400°C treatment

The mechanical properties of plasma-sprayed thermal barrier coating (TBC) play a vital role in governing their lifetime and performance. This work investigated the microstructural and mechanical properties of TBC with high temperature treatment at 1400°C by scanning electron microscopy and indentation. We calculated elastic modulus and hardness through the application of Weibull statistics analysis. The results indicate that the microstructure of ceramic coating will change continuously at high temperature, and accordingly the porosity decreases due to the grain growths and crack closes. In addition, the elastic modulus and hardness nonlinearly go up with the heat treatment time and go down with increasing porosity. This demonstrates that the microstructural evolution and porosity of TBC are caused by high temperature treatment, and as a result its mechanical properties are influenced.     

用DSPI方法和栅线投影法测量任意曲表面的三维变形

本文采用数字散斑干涉法和栅线投影法同时测量了任意曲表面的三维位移和三维形貌，并运用数字图像处理技术分析了曲表面的三维应变场，用实验方法获得了曲表面的主应变和主方向。     

数字图像相关方法若干关键问题研究进展

本文报道了作者及其所在课题组近期在数字图像相关(DIC)测量方法上取得的重要研究进展。主要包括:(1)通过对DIC方法中反向组合高斯-牛顿算法的理论误差分析,提出了新的理论误差公式,进一步证明了反向组合高斯-牛顿算法在提高计算速度和测量精度方面的综合优势;(2)采用提出的理论误差公式,发展了数字散斑场的优化及制作方法,保证了测量结果的一致性和正确性;(3)基于相机阵列和图像拼接技术,发展了超分辨率数字图像相关方法,大大提高了DIC测量方法的应变测量分辨率;(4)提出了大视场条件下的三维系统标定方法,实现了三维测量系统的外参实时标定和多相机测量系统中相机位姿的自动矫正;(5)研制了便携式原位三维测量仪和多尺度DIC测量系统,实现了三维实时数字图像相关测量,进一步满足了DIC方法在工业在线检测和医学领域中的应用需求。     

数字图像相关法在相似材料模拟试验中的应用

利用相似材料模拟试验研究印度某矿长壁开采采场厚硬顶板的破断规律,针对试验中传统的位移测量法的不足,引入了数字图像相关法。通过恰当布设模型、合理控制光照强度,实时用高分辨率数码相机拍摄模型在开采过程中的表面变形图像,借用数字照相图像分析与结果可视化应用软件系统GeoDPDM对序列照片进行相关性分析,得到了开采过程中上覆岩层变形的位移场和应变场。将分析结果与传统测量方法所得结果对比,得到两种方法具有较高的一致性,并将测试精度提高到0.6mm/pixel,成功实现了大范围模型变形的全场、非接触式测量。     

基于图像分析法的水稻茎秆力学性能测量与分析

水稻茎秆力学性能的准确描述是水稻抗倒伏力学分析的关键。由于茎秆是由生物活性材料组成的形状不规则柔性结构,传统的测试方法难以对其力学性能进行准确测量。以南方水稻为研究对象,采用拉伸试验机对水稻茎秆进行了拉伸试验。首先采用传统的应变片方法测量应变,继而探索采用图像分析法实现非接触、高精度地测量水稻茎秆的截面尺寸、拉伸变形。用数字摄像机记录不同荷载水平下试件表面的数字图像,采用数字图像相关分析法(DIC)进行分析,通过两种方法计算茎秆的轴向应变;将完成拉伸实验的试件切片,采集其横截面的数字图像,通过数字图像分析技术得到其几何特性,并对大量实验数据进行了统计分析,实现了对水稻茎秆弹性模量、抗弯刚度等的合理描述。实验结果表明,采用传统的应变片测量求得的水稻茎秆的弹性模量的离散性极大,超出样本差异性的范围,而采用数字图像分析方法得到的弹性模量、抗弯刚度的结果有一定的离散性,但分布比较合理,比较准确地反映了水稻茎秆相关的力学性能。     

Reliability assessment on interfacial failure of thermal barrier coatings

Thermal barrier coatings (TBCs) usually exhibit an uncertain lifetime owing to their scattering mechanical properties and severe service conditions. To consider these uncertainties, a reliability assessment method is proposed based on failure probability analysis. First, a limit state equa-tion is established to demarcate the boundary between failure and safe regions, and then the failure probability is calculated by the integration of a probability density function in the failure area according to the first-or second-order moment. It is shown that the parameters related to interfacial failure follow a Weibull distribution in two types of TBC. The inter-facial failure of TBCs is significantly affected by the thermal mismatch of material properties and the temperature drop in service.     

Dynamic torsion testing of nanocrystalline coatings using high-speed photography and digital image correlation

The strength and ductility of microcrystalline and nanocrystalline tungstsen carbide-cobalt (WC-Co) cermets have been evaluated by employing a stored energy Kolsky bar apparatus, high-speed photography and digital image correlation. The test specimens were thin-walled tubular AI7075-T6 substrates 250 μm thick, coated with a 300 μm thick microcrystalline or nanocrystalline WC-Co layer with an average grain size of about 3 μm and 100 nm, respectively. Dynamic torsion experiments reported in this paper reveal a shear modulus of 50 GPa and a shear strength of about 50 MPa for both microcrystalline and nanocrystalline WC-Co coatings. The use of high-speed photography along with digital image correlation has shown that damage to the coating coincides with a significant softening on the stress-strain curve. The coating failed in mode III, and strong interactions between the crack faces were probably responsible for the increase in load after failure of the coating. The overall failure of the coating-substrate system was not brittle but rather progressive and controlled by the ductility of the aluminum substrate. A methodology for investigating damage kinetics and failure has been established. This methodology can be applied to examine the behavior of other advanced materials that can be manufactured as coatings on ductile substrates. Manufacturing coatings free of initial microcracks remains a significant challenge. Research on optimization of the spray deposition parameters should be pursued to produce high-quality nanostructured coatings that can fully exploit the benefits of nano-size grains.     

Research on synchronous measurement technique of temperature and deformation fields using multispectral camera with bilateral telecentric lens

The hot-section parts easily occur the creep-fatigued interaction under the condition of mechanical-thermal coupled load during the period of service, which may lead to the damage of the parts, and therefore, the measurement and characterization of thermal-deformed fields of the parts are important to understand its damage process. Aiming at relevant demand, the bilateral telecentric-multispectral imaging system was established, the research of synchronous measurement technique of the temperature and deformation fields was developed. On the one hand, the measurement technology for surface temperature of the object was developed using the two-color images captured by the multispectral camera with bilateral telecentric lens and combined with colorimetric method. On the other hand, the 2D-DIC measurement technique of the multispectral camera was developed by conducting digital image correlation analysis using the blue light images before and after deformation, which can measure the high temperature deformation field of the object (the blue light images were filtered by multispectral camera). Results showed that the bilateral telecentric lens is used to replace the ordinary optical lens for imaging, which can effectively eliminate the distortion of the multispectral imaging system. Since the temperature measurement process of this measurement system is little affected by the emissivity of the object, therefore, it has excellent robustness. The thermal expansion coefficients of the nickel alloys are evaluated at the temperature ranges of 700–1000 ℃, indicating this system can achieve the synchronous and precise measurement of the temperature and deformation fields of the object.