北理工課題組在基于X射線(xiàn)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(dòng)機(jī)的高溫部件中,，顯著提升了發(fā)動(dòng)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(huì)逐漸擴(kuò)展,，最終導(dǎo)致涂層剝落,。因此，界面失效行為的評(píng)估已成為熱障涂層研究的核心問(wèn)題之一,。目前,，常溫下用于表征熱障涂層界面失效的測(cè)試方法難以適用于高溫環(huán)境，而一些高溫測(cè)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(cè)試方法,，壓痕法在熱障涂層力學(xué)性能測(cè)試中得到了廣泛應(yīng)用。通過(guò)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(cè)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(duì)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(xiàn)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(jí)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(xiàn)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(kāi)展了常溫、400℃和800℃下熱障涂層的原位界面壓痕測(cè)試,。通過(guò)X射線(xiàn)成像對(duì)熱障涂層高溫界面斷裂過(guò)程進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),。提出了一種數(shù)字X線(xiàn)攝影垂直度校正方法，實(shí)現(xiàn)了高溫下界面壓痕過(guò)程中熱障涂層面外位移的精確測(cè)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(zhǎng)度顯著增加,。
圖1 基于X射線(xiàn)成像的高溫界面壓痕方法
研究通過(guò)有限元方法定量分析了壓痕過(guò)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(cè)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(cè)模型,。
圖2 不同溫度下熱障涂層的界面韌性,。紅線(xiàn)表示界面韌性隨溫度變化的預(yù)測(cè)模型。
研究了界面失效過(guò)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(duì)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(jìng)爭(zhēng)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(shí),，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(kāi)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(cè)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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