| 热喷涂热障涂层体系的界面氧化损伤及其力学行为 | |
| 陈兆祥 | |
| Subtype | 博士 |
| Thesis Advisor | 朱世杰 |
| 2008-05-18 | |
| Degree Grantor | 中国科学院金属研究所 |
| Place of Conferral | 金属研究所 |
| Degree Discipline | 材料物理与化学 |
| Keyword | 热障涂层 爆炸喷涂 高速火焰喷涂 等离子喷涂 高温氧化 残余应力 界面损伤 疲劳 裂纹扩展 界面应变能释放率 有限元方法 |
| Abstract | 本论文工作以先进航空发动机叶片用热障涂层为研究对象，对热喷涂（爆炸喷涂（DS）、高速火焰喷涂（HVOF）和大气等离子喷涂（APS））热障涂层在高温氧化过程中的氧化物生长、界面损伤行为和弯曲加载过程中的疲劳断裂行为进行了研究，并测量和分析了热障涂层的界面应变能释放率。 研究了NiCrAlY粘结层（BC）表面的热生长氧化物（TGO）生长行为与残余应力。研究结果表明，制备态DS NiCrAlY粘结层1100℃氧化后，表面形成双层氧化物，外层为Ni(Cr,Al)2O4、Cr2O3和NiO等所组成的混合氧化物，内层为Al2O3；磨光态DS NiCrAlY粘结层1100℃氧化后，表面形成单层致密的Al2O3。制备态粘结层的氧化速率高于磨光态粘结层，前者疏松的表层结构促进了混合氧化物的生成。氧化后，磨光态粘结层的TGO残余压应力数值显著高于制备态粘结层。有限元分析结果表明，粘结层的表面起伏程度对于TGO残余应力有显著影响，表面起伏程度越大，TGO残余压应力数值越小。HVOF NiCrAlY粘结层1100℃氧化后，表面形成了连续致密的Al2O3层，混合氧化物生成量较小；APS NiCrAlY粘结层1100℃氧化后，表面生成较多混合氧化物，涂层内部发生显著氧化。三种热喷涂NiCrAlY粘结层的1100℃氧化动力学曲线表明，HVOF NiCrAlY粘结层具有最佳的抗氧化性能。 设计和制备了三种热喷涂热障涂层（HVOF粘结层/DS陶瓷层、DS粘结层/DS陶瓷层、HVOF粘结层/APS陶瓷层），并对比和分析了热障涂层的组织结构特点及其在1100℃氧化过程中的界面应力状态与界面损伤行为。研究结果表明，HVOF/DS热障涂层结构致密，涂层界面结合状况良好。氧化过程中涂层内形成了连续致密、具有保护性的Al2O3层，陶瓷层(TC)的相稳定性良好，界面损伤通常发生于TGO/BC界面或TGO层内部；DS/DS热障涂层的TC/BC界面起伏较大，TGO呈现双层结构，外层的混合氧化物中含有较多结构缺陷。TGO残余压应力在氧化初期快速上升，随着氧化时间的增加，由于涂层界面损伤的增多，压应力数值呈现下降趋势，界面损伤通常发生于粘结层表面的凸起部位；HVOF/APS热障涂层的陶瓷层孔隙率较高，涂层界面结合状况不佳，氧化后界面损伤通常发生于靠近TC/BC界面的陶瓷层内。 研究了热喷涂热障涂层在四点弯曲加载条件下的疲劳断裂行为。研究结果表明，在单调加载条件下，制备态热障涂层中裂纹沿厚度方向穿过陶瓷层和粘结层，抵达BC/基材界面后造成局部的界面开裂；氧化态热障涂层中裂纹穿过陶瓷层，抵达TC/BC界面后开始沿界面扩展,进一步增加弯曲载荷将导致陶瓷层脱落。 在疲劳加载条件下，制备态HVOF/APS热障涂层在加载初期沿涂层厚度方向萌生多条微裂纹。随着疲劳周次的增加，厚度方向的微裂纹相互交联，形成的主裂纹贯穿陶瓷层和粘结层后扩展进入基材，加载过程中涂层界面没有发生明显的开裂；在疲劳加载初期，氧化态HVOF/APS热障涂层的界面损伤部位萌生多条微裂纹，随着疲劳周次的增加，微裂纹扩展穿过TGO层抵达粘结层表面。随后，在粘结层表面平直或者下凹的部位，裂纹扩展进入粘结层。在粘结层表面凸起的部位，裂纹转向沿TGO/BC界面扩展。最终，进入粘结层的裂纹将穿过粘结层，扩展进入基材。实验结果表明，氧化态HVOF/APS热障涂层试样比制备态试样具有更好的抗弯曲疲劳性能。 等离子喷涂热障涂层的界面应变能释放率的测量结果表明，随着界面裂纹长度的增加，涂层界面应变能释放率的数值最初快速增加，而后增加趋势放缓，稳态值为110J/m2至150J/m2。有限元分析结果表明，四点弯曲实验所用三明治热障涂层试样中的环氧树脂粘合剂层对于涂层界面应变能释放率的测量结果影响不大；裂纹扩展过程中的桥联行为在主裂纹尖端位置具有显著的应力屏蔽效果，促使了弯曲过程中涂层界面应变能释放率的上升。 |
| Pages | 167 |
| Language | 中文 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.imr.ac.cn/handle/321006/17013 |
| Collection | 中国科学院金属研究所 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 陈兆祥. 热喷涂热障涂层体系的界面氧化损伤及其力学行为[D]. 金属研究所. 中国科学院金属研究所,2008. |
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