基体表层改性对涂层裂纹组态的影响规律及机理研究

以剥落为主的失效问题，一直是制约涂层在高温环境下应用的关键性难题。涂层的热致剥落驱动力不仅依赖涂层与基体材料在物理、力学性能方面的本征失配，也与涂层的裂纹组态密切相关。本项目基于群体裂纹增韧的思路，采用激光改性技术预先对基体表层进行离散处理，研究了涂层中分割裂纹组态形成的规律及机理。通过对基体激光离散改性形成“分割涂层”的试验研究、理论建模和数值计算，系统总结了“分割”裂纹密度的影响因素及其影响规律，得到了分割裂纹组态形成的主控参数。 考虑基体表层离散淬火区对涂层/基体体系应力分布的影响，建立了涂层“分割裂纹”的萌生、扩展驱动力的理论模型及计算方法，揭示了基体激光离散改性形成“分割涂层”的物理机制。将基体激光淬火区近似视为呈周期分布的离散夹杂，采用Eshelby本征应变(eigenstrain)方法表征由于相变产生的体积应变，建立了离散淬火基体/涂层体系的应力、应变场理论模型。采用有限元方法得到了涂层/基体体系的应力、应变场。提出了计算涂层-基体系统里“分割”裂纹扩展驱动力的权函数模型，并在此基础上，采用权函数方法确定了“分割裂纹”应力强度因子的影响因素及影响规律。采用相似理论和量纲分析理论建立各类无量纲参数之间的标度律。本项目的理论研究与试验结果吻合良好，将为相关涂层的延寿设计提供理论依据与技术支持。 2100433B

以剥落为主的涂层失效问题，一直是制约涂层在高温环境下应用的核心难题。发展延缓涂层剥落的延寿方法具有重要的应用价值。涂层的热致剥落驱动力不仅依赖于涂层与基体材料在物理、力学性能方面的本征失配，也与涂层的裂纹组态密切相关。本项目拟基于群体裂纹增韧的思路，采用激光改性技术预先对基体表层进行离散处理，探索在涂层中形成分割裂纹组态的规律及机理。以电沉积铬涂层/钢基体为具体研究对象，通过改变激光离散处理工艺参数，系统研究分割裂纹组态形成的主控参数。考虑激光离散处理对涂层/基体体系的性能及应力-应变场的影响，建立合适的理论预测模型，揭示分割裂纹组态形成的物理机制，进而提出优化控制分割裂纹密度的措施。采用相似理论和量纲分析方法，建立各类无量纲参数之间的普遍规律。本项目的研究结果将为电沉积铬涂层的强韧化设计及相关工艺方法推广应用于其它类似涂层提供理论依据与技术支持。

层级热障涂层中陶瓷层间的弱界面显著影响涂层内裂纹的萌生与扩展，不同弱界面裂纹的相互竞争将改变涂层系统的脱粘失效机制。本项目采用数值与试验相结合的方法，研究了热生长氧化物（TGO）形貌、涂层/基底蠕变、服役条件等因素对层级热障涂层应力演化的影响规律，获得了裂纹萌生机理；开发了多界面裂纹扩展数值算法，阐明了层级热障涂层组元特征对弱界面裂纹扩展行为的影响，建立了涂层系统增韧结构设计机制图。研究表明：（1）层级热障涂层在长时氧化过程中，由于高温蠕变的作用，将使涂层系统在高温下形成无应力状态，而在服役冷却阶段，残余应力几乎不受TGO生长的影响，TGO生长导致的非弹性变形才是涂层裂纹萌生的主要原因，而非传统认为的高温生长应力；（2）粗糙界面导致的应力集中主要集中在局部区域范围，当内陶瓷层厚度足够厚时（大于90 μm），TGO引起的应力集中区域与陶瓷层间粗糙界面的应力集中区域互不影响；（3）双陶瓷层热障涂层热震寿命、剥离速率及失效模式均与两层陶瓷层的厚度比密切相关，随着外陶瓷层与内陶瓷层厚度比增加，涂层系统的失效模式逐渐从外陶瓷层的层状剥落，转变成陶瓷层间弱界面附近处的剥离；（4）表面裂纹密度是影响层级热障涂层界面裂纹扩展行为的关键因素，当表面裂纹密度较低时，界面裂纹尖端驱动力对陶瓷层之间的材料性能和几何参数十分敏感，即陶瓷层总厚度较厚、外陶瓷层的厚度比较高、或外陶瓷层模量较高时，均会使得界面裂纹驱动力增加，导致涂层过早剥落；然而，当垂直裂纹密度足够高时，上述影响将会变的十分微弱；因此，在双陶瓷层热障涂层内主动预制足够密集的垂直裂纹，可允许使用更厚和刚度更高的外陶瓷层，从而获得更好的隔热性能;（5）当粘结层具有中等程度的断裂韧性时，陶瓷层内的垂直裂纹首先偏转进入陶瓷层与粘接层界面，在该界面裂纹扩展过程中，粘接层内会发生垂直裂纹萌生，使两个界面同时发生开裂，弱界面裂纹的竞争扩展可一定程度提高涂层应变容限。 2100433B

层级热障涂层是解决重型燃气轮机高温部件超高温热障的重要手段，陶瓷层级间的弱界面会对涂层系统的失效机理产生显著影响。因此，研究涂层中弱界面裂纹间的竞争机理对分析涂层系统失效至关重要。本项目以新型耐高温材料涂覆于传统陶瓷涂层上形成的双陶瓷层热障涂层为对象，发展处理异质材料界面多裂纹任意路径扩展数值算法，结合原位观测断裂实验，研究层级热障涂层中弱界面裂纹的萌生及扩展行为，考察层级组元的几何、材料、界面形貌等特征对弱界面裂纹扩展路径的影响机制，分析不同弱界面处裂纹裂尖驱动力的演变规律，揭示弱界面裂纹间的竞争机理，初步建立层级热障涂层失效准则。本项目的研究可为新型热障涂层结构设计和强度评价提供理论基础。