等离子喷涂热障涂层失效机理及寿命预测

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雅宝题库答案
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雅宝题库解析:
    针对航空领域高可靠性的要求,热障涂层(Thermal Barrier Coatings,简称TBCs)微观失效机理及寿命评估成为研究的热点题目之一。涂层失效机理的进一步研究,包括对涂层高温氧化行为、热循环工况下力学行为的深入研究,可为热障涂层的实际应用提供可靠的保障。本文选取等离子喷涂方法制备的热障涂层为研究对象,将宏观与微观研究相结合,组织形态学与统计学相结合,从微观角度建立了热障涂层破坏与微结构特征、温度、热载荷的关系,深入探讨了热障涂层结构在高温热循环载荷下的失效模式和破坏机理,确定了引起涂层失效的控制参量,并探讨了其在寿命预测模型中的应用。    在热障涂层结构高温氧化行为研究方面,本文分析了温度、粘结层表面粗糙度对热障涂层氧化行为的影响,建立了服役温度与氧化速度的定量关系,并探讨了热障涂层结构在高温氧化过程中的失效模式。结果表明,随着温度的升高,TGO由Al2O3转变成以Ni、Cr为主的尖晶石类氧化物,热障涂层氧化速率明显加快;随着粘结层表面粗糙度减小,减少了粘结层表面的扩散路径,减缓了Al贫化速度从而延长了涂层寿命;氧化过程中TGO生长呈现不均一性,波峰位置的TGO较波谷位置的TGO厚2~3µm;高温氧化后期,粘结层内部Al元素发生贫化现象,扩散的柯肯达尔空洞在粘结层内部形成,空洞连接,导致涂层失效。    在热障涂层结构热疲劳行为研究方面,本文探讨了热循环载荷为三角波及梯形波时热障涂层的寿命,分析了不同热循环载荷下涂层的失效模式,建立了包括界面粗糙度和TGO厚度增长不均一特征的界面微细观定量统计有限元模型,从力学角度分析了涂层的热疲劳失效机理。结果表明,热障涂层的高温氧化对涂层寿命有较大影响;热载荷为三角波时,随预氧化时间的延长,热障涂层热疲劳寿命降低,失效位于陶瓷层内部距离TGO/陶瓷层界面50µm处;热载荷为梯形波时,高温停留时间长的试样热循环寿命小于高温停留时间短的热循环寿命,涂层沿着TGO/陶瓷界面断裂失效;TGO的不均一生长对涂层的界面应力有较大影响,在陶瓷层波峰位置萌生法向应力主导的横向微裂纹,随后在法向和剪切应力共同作用下,裂纹扩展直至失效。    为了获得寿命预测模型的定量化参数,本文建立了基于菲克扩散定律的Al贫化模型,基于热疲劳失效机理分析,获得热疲劳失效控制参量的定量化参数,将高温氧化和热疲劳失效的主导因素引入到寿命预测模型,探讨了涂层失效的控制参量在寿命预测模型中的应用。结果表明,改进的寿命预测模型的预测值与寿命试验值处于±1.5倍分散带之间,寿命预测结果较为合理。





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