北理工課題組在基于X射線成像的熱障涂層界面失效行為高溫原位壓痕研究方面取得進(jìn)展
發(fā)布日期：2025-01-02 供稿：先進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院 攝影：先進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院
編輯：郭佳琛 審核：楊亞政 閱讀次數(shù)：
熱障涂層憑借其卓越的隔熱性能，廣泛應(yīng)用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的高溫部件中，顯著提升了發(fā)動機(jī)的效率和性能。然而，在高溫服役環(huán)境下，由于粘結(jié)層氧化等作用，熱障涂層與基體之間的界面裂紋會逐漸擴(kuò)展，最終導(dǎo)致涂層剝落。因此，界面失效行為的評估已成為熱障涂層研究的核心問題之一。目前，常溫下用于表征熱障涂層界面失效的測試方法難以適用于高溫環(huán)境，而一些高溫測試方法則難以實(shí)現(xiàn)單純的界面斷裂。作為一種微納米尺度的測試方法，壓痕法在熱障涂層力學(xué)性能測試中得到了廣泛應(yīng)用。通過界面壓痕法，可以獲得熱障涂層完整的界面裂紋。然而，界面壓痕法在高溫條件下難以精確測試涂層斷裂形貌，導(dǎo)致其應(yīng)用受限。因此，在高溫條件下對熱障涂層界面失效行為進(jìn)行定量研究仍面臨巨大挑戰(zhàn)。
北京理工大學(xué)先進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院方岱寧院士課題組曲兆亮副教授等人基于高溫X射線成像和原位壓痕加載裝置，發(fā)展了高溫原位界面壓痕法，實(shí)現(xiàn)了熱障涂層高溫界面韌性的定量表征，得到了熱障涂層的高溫界面失效模式。研究成果以“Interfacial failure behavior of thermal barrier coatings (TBCs) at high temperatures: an in-situ indentation study based on X-ray imaging”為題發(fā)表于固體力學(xué)領(lǐng)域頂級期刊《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》（https://doi.org/10.1016/j.jmps.2024.105647）。
本研究提出了一種基于X射線成像的高溫界面壓痕方法（圖1），用于研究熱障涂層（TBCs）的高溫界面失效行為。開展了常溫、400℃和800℃下熱障涂層的原位界面壓痕測試。通過X射線成像對熱障涂層高溫界面斷裂過程進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測。提出了一種數(shù)字X線攝影垂直度校正方法，實(shí)現(xiàn)了高溫下界面壓痕過程中熱障涂層面外位移的精確測試。CT實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，界面壓痕法得到的熱障涂層界面裂紋呈半橢圓形擴(kuò)展，隨著溫度的升高，裂紋擴(kuò)展的長度顯著增加。
圖1 基于X射線成像的高溫界面壓痕方法
研究通過有限元方法定量分析了壓痕過程中熱障涂層的能量演化和應(yīng)力分布，得到了不同溫度下涂層的復(fù)合應(yīng)力強(qiáng)度因子（SIF）、混合模態(tài)角和界面韌性數(shù)值。發(fā)現(xiàn)熱障涂層的界面韌性與溫度密切相關(guān)，從室溫到400°C，界面韌性變化較小，從400°C到800°C，界面韌性急劇下降（圖2）?；跍y試結(jié)果，提出了一種熱障涂層界面韌性隨溫度變化的預(yù)測模型。
圖2 不同溫度下熱障涂層的界面韌性。紅線表示界面韌性隨溫度變化的預(yù)測模型。
研究了界面失效過程隨溫度的演變行為，獲得了不同溫度下裂紋擴(kuò)展路徑（圖3）。利用原位CT對不同溫度下TC的內(nèi)部缺陷進(jìn)行了表征，發(fā)現(xiàn)裂紋擴(kuò)展路徑的改變可部分歸因于內(nèi)部缺陷的演變。獲得了不同溫度下界面裂紋的競爭機(jī)制，揭示了界面韌性與失效模式的映射關(guān)系（圖4）。
圖3 不同溫度下的界面裂紋擴(kuò)展路徑
圖4 界面裂紋擴(kuò)展路徑與界面韌性的映射關(guān)系
該研究成果有助于加深高溫環(huán)境下涂層失效機(jī)理的認(rèn)識，為更耐高溫、韌性更強(qiáng)涂層材料的設(shè)計(jì)研發(fā)提供了數(shù)據(jù)支撐和機(jī)理參考。
方岱寧院士課題組圍繞熱障涂層的失效行為開展了一系列高溫原位實(shí)驗(yàn)研究，提出了一系列高溫原位力學(xué)測試表征方法，相關(guān)成果如下：
[1] S. Luo, R. Huang, H. Bai, P. Jiang, Z. Qu, D. Fang, Interfacial failure behavior of Thermal Barrier Coatings (TBCs) at high temperatures: An in-situ indentation study based on X-ray imaging, Journal of the Mechanics and Physics of Solids 187 (2024) 105647. https://doi.org/10.1016/j.jmps.2024.105647.
[2] R. Huang, Y. Zheng, S. Luo, H. Bai, P. Wang, Y. Chen, Z. Qu, Characterization on Fracture Toughness of Cermet Coating Coupling Instrumented Indentation and X?Ray Computed Tomography, Exp Mech 64 (2024) 1037–1051. https://doi.org/10.1007/s11340-024-01075-9.
[3] S. Luo, R. Huang, H. Bai, B. Xu, Z. Qu, An indentation-based method for characterization of non-uniform triaxial residual stress in curved thermal barrier coating, Measurement 232 (2024) 114671. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2024.114671.
[4] H. Bai, Z. Wang, S. Luo, Z. Qu, D. Fang, A modified single edge V-notched beam method for evaluating surface fracture toughness of thermal barrier coatings, Appl. Math. Mech.-Engl. Ed. 44 (2023) 693–710. https://doi.org/10.1007/s10483-023-3001-6.
[5] H Bai, Z Qu, H Yang, D Fang, In-Situ Characterization on Fracture Toughness of Thermal Barrier Coatings Under Tension by J-Integral with Digital Image Correlation at High Temperatures, Exp. Mech. 64 (2024) 761-782. https://doi.org/10.1007/s11340-024-01061-1.
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