李發(fā)國，楊麗* ， 周益春
 

（湘潭大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湘潭 湖南，411105）

0 引言

艦載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件，由于受海洋環(huán)境的影響，長期處于空氣濕度大、鹽堿重的惡劣環(huán)境中服役，除了受到?jīng)_蝕、磨損外還要經(jīng)受腐蝕考驗(yàn)。艦載機(jī)服役壽命的 90% 為停放狀態(tài)，有研究表明：連續(xù)長時(shí)間停放的腐蝕比經(jīng)常使用和維護(hù)的嚴(yán)重，因此發(fā)動(dòng)機(jī)高溫涂層耐常溫海洋大氣腐蝕的能力是不可忽略的。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，熱腐蝕成為典型故障之一，不僅降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的使用效能，而且增加了維修的工作量和費(fèi)用。熱腐蝕是在高溫環(huán)境下氧及其他腐蝕性氣體與材料表面的沉積鹽共同作用而發(fā)生加速腐蝕的現(xiàn)象，其危害性要遠(yuǎn)大于熱氧化；而且，隨著“深藍(lán)戰(zhàn)略”實(shí)施的不斷深入，超過1000℃以上服役的高溫涂層抗熱腐蝕性能研究，將是今后一個(gè)時(shí)期研究的重點(diǎn)。

1 海洋大氣特點(diǎn)

海洋大氣環(huán)境極其復(fù)雜，隨著地球經(jīng)緯度和海岸地理?xiàng)l件的差異，溫度、濕度、輻照度、氯離子濃度、鹽度、污染物等主要環(huán)境因子及其耦合作用對(duì)材料腐蝕行為的影響差異很大。海洋大氣中腐蝕顆粒主要為 SO 2 、HNO 3 、N2 O5 與 NaCl反應(yīng)生成的Na + 、[Cl- ]、[SO4 2- ]、[NO3- ]、[HN4 + ]等離子顆粒。我國典型海洋大氣表現(xiàn)為高溫、高濕和高鹽霧的特點(diǎn)。我國近海受大陸污染影響，離子、SO2 含量都遠(yuǎn)高于國外；遠(yuǎn)海如西沙則離子含量高。西太平沿岸 [NO3-] 濃度大于 [SO4 2- ]濃度，而我國 PM2.5、PM10 離子顆粒濃度遠(yuǎn)高于其他西太平洋其它國家。歐美國家近、遠(yuǎn)海主要是 [Cl- ]，SO2 含量很少，近乎為零；東南亞[Cl- ]、SO2 相當(dāng)。

海洋環(huán)境下服役艦載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)熱端零部件容易受高濕、鹽霧以及微生物等形式的化學(xué)腐蝕，以及高溫氧化、沖蝕等疊加效應(yīng)而形成的復(fù)雜熱腐蝕，壽命大幅度縮短，維護(hù)費(fèi)用和大修成本劇增，因此抗海洋大氣熱腐蝕的高溫涂層技術(shù)需求緊迫。

2 熱端涂層分類介紹

航空發(fā)動(dòng)機(jī)不同部件由于工作環(huán)境的差別需要不同的涂層，按功能可以分為：熱障涂層、高溫抗氧化涂層、耐磨/耐腐/抗沖蝕涂層、封嚴(yán)涂層、抗微動(dòng)磨損涂層、阻燃涂層、環(huán)境障涂層、憎水涂層、隱身涂層等。其中發(fā)動(dòng)機(jī)熱端主要有熱障涂層、耐磨/抗沖蝕涂層。

2.1 熱障涂層

熱障涂層（TBCs）起源于20世紀(jì)40年代末50 年代初，主要是用來提高鎳基高溫合金的高溫性能的。世界航空推進(jìn)計(jì)劃的三大隔熱防護(hù)技術(shù)中，單晶（每年 1~2℃的速度增長）和冷卻氣膜技術(shù)（不斷降低熱效率、增加加工難度）的發(fā)展?jié)摿σ逊浅Ｓ邢?，但應(yīng)用厚度約100~400μm 的熱障涂層后，基體溫度可以降低 100~200℃，這相當(dāng)于高溫合金過去三十年的發(fā)展總和。因此，熱障涂層被認(rèn)為是目前提高發(fā)動(dòng)機(jī)服役溫度最切實(shí)可行的辦法。目前在有氣膜、熱障涂層的情況下，單晶葉片的使用溫度可以超過 1500℃，未來需要承受 1800℃以上的溫度，依賴于開發(fā)新的葉片、熱障涂層材料（見圖 1）。

圖 1 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片耐溫發(fā)展趨勢(shì)

目前常用的 TBCs 材料有：7-8YSZ、莫來石、Al203、YSZ+CeO 2 、La 2 Zr207、硅酸鹽，其中Y203部分穩(wěn)定的 ZrO2（YSZ，Y2 O3 含量一般為7%~8%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）是應(yīng)用最廣泛的 TBCs 材料。近年來國內(nèi)外在多元氧化物摻雜氧化鋯、A2B2O7型燒綠石或螢石化合物、磁鉛石型六鋁酸鹽化合物、石榴石型化合物、鈣鈦礦結(jié)構(gòu)化合物和其他新型氧化物陶瓷等先進(jìn)超高溫?zé)嵴贤繉犹沾刹牧戏矫孢M(jìn)行了大量研究。2007 年哈佛大學(xué) Clarke教授課題組和加州大學(xué)圣巴巴拉分校的 Lavi 教授等發(fā)現(xiàn) ZrO2-YO1.5-TaO2.5的使用溫度可以達(dá)到1500℃，而熱導(dǎo)率較 YSZ 下降 100%，具有新型涂層發(fā)展?jié)撡|(zhì)。近幾年，新型稀土鉭酸鹽高溫鐵彈相變陶瓷材料進(jìn)入人們的視野，預(yù)期最高使用溫度可以達(dá)到 1600℃。盡管稀土鉭酸鹽具有低熱導(dǎo)率和膨脹率，但是作為涂層材料需要優(yōu)異的斷裂韌性，因此如何調(diào)控其鐵彈性增韌將是未來一段時(shí)間探索的熱點(diǎn)。

2.2 耐磨涂層

高溫耐磨涂層主要應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室噴嘴外罩及軸承座等零部件。目前常采用等離子噴涂技術(shù)制備 Cr3C2-NiCr、WC-Ni、WC-Co、Cr2 O3 涂層。研究表明，水會(huì)惡化涂層性能，涂層材料斷裂韌性越高，孔隙率和微裂紋長度越小，涂層的耐磨性越好。有研究表明采用多層涂層可提高抗磨損性能。

2.3 抗沖蝕涂層

飛機(jī)在低空飛行、起飛和降落過程中，空氣中的鹽粒、火山灰、雪和沙粒等，燃油雜質(zhì)以及發(fā)動(dòng)機(jī)部件掉落的殘骸等，在高速氣流作用下不可避免地被吸入渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)表明，直徑大于 30μm 的砂粒能對(duì)葉片造成明顯的沖蝕磨損，大顆粒甚至能使葉片變形，影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能或?qū)е缕涫АＩ鲜兰o(jì)八十年末到九十年代初，抗沖蝕涂層技術(shù)才真正應(yīng)用于航空器抗砂粒環(huán)境。目前應(yīng)用最廣泛的是合金化 TiAlN、ZrAlN 等涂層、電弧鍍等技術(shù)制備的 ZrN/TiN 多層納米涂層以及復(fù)合的 Al/AlN、Ti/TiN、Cr/CrN涂層等（如圖 2 所示）。廣泛應(yīng)用于鎳基高溫合金、鈦合金部件的抗沖蝕性能提升。總體來說，我國能在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上得到應(yīng)用的抗沖蝕涂層很少，還不能滿足設(shè)計(jì)的技術(shù)要求。

圖 2 TiN/Zr/ZrN 多層涂層

抗沖蝕涂層脆性大，增加了合金表面裂紋萌生的傾向，從而降低合金的疲勞性能，是亟待解決的技術(shù)難題。另外，耐沖蝕涂層在干燥性空氣中對(duì)壓氣機(jī)葉片具有很好的抗沖蝕防護(hù)作用，但在海洋環(huán)境卻可能受到嚴(yán)重的潮濕或鹽霧腐蝕破壞，使葉片壽命縮短，給發(fā)動(dòng)機(jī)帶來安全隱患。目前這些工作還處在基礎(chǔ)和應(yīng)用研究階段。

3 海洋大氣腐蝕研究現(xiàn)狀

3.1 海洋大氣常溫腐蝕

航空發(fā)動(dòng)機(jī)在停放時(shí)將受到廢氣和尾氣中的硫化物、氮氧化物與海洋鹽霧組合成的 pH 值為2.4~4.0 的酸性潮濕層腐蝕，再形成酸性液膜，加速了涂層的失效。海洋大氣常溫腐蝕一般采用乙酸鹽霧試驗(yàn)以及電化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)。研究表明 TBCs 經(jīng)過 400 小時(shí)的乙酸鹽霧試驗(yàn)后，表面變得粗糙不平，產(chǎn)生了較大的裂紋。通過改變TBCs 涂層化學(xué)結(jié)構(gòu)，比如摻雜 YSZ/（Ni,Al） 涂層較基體和純 YSZ 涂層有更低的自腐蝕電流密度，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐腐蝕能力。像 WC-CoCr 耐磨涂層在 NaCl 溶液和 HCl 溶液中，耐腐蝕性明顯優(yōu)于鍍鉻涂層，但在 NaOH 溶液中，鍍鉻涂層發(fā)生劇烈鈍化形成保護(hù)膜，WC-CoCr 涂層的耐腐蝕性弱于鍍鉻涂層。又比如 Ni-C 封嚴(yán)涂層在NaCl 溶液中主要發(fā)生電偶腐蝕，溶液中的氧濃度是影響涂層腐蝕的重要因素，腐蝕速率隨氧濃度的提升而加快。

3.2　海洋大氣熱腐蝕

相比較海洋大氣常溫腐蝕，海洋大氣熱腐蝕要復(fù)雜得多。燃?xì)鉄岣g試驗(yàn) （gas hot-corrosiontest） 在指定的溫度、燃油流量、油氣比及海鹽含量的條件下所形成的燃?xì)庵校瑢?duì)試樣進(jìn)行冷熱交變循環(huán)試驗(yàn)。葉片表面溫度、燃?xì)庵械柠}含量以及燃油中的硫與釩是導(dǎo)致熱腐蝕的重要因素。目前，熱腐蝕實(shí)驗(yàn)主要是采用有涂鹽法和浸鹽法兩種。常用的熔鹽有：NaCl/Na2 SO4 /K2 SO4 /V2 O5等單一或兩兩組合。熱腐蝕溫度主要集中在 800-1000℃。熱腐蝕時(shí)間以 2~10h 居多。從目前查閱的文獻(xiàn)來看，實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)可以分為以下三種：

（a） 不帶基體的純?nèi)埯}熱腐蝕

常用于新型陶瓷涂層材料的熱腐蝕產(chǎn)物分析、熱腐蝕動(dòng)力學(xué)研究。采用涂鹽法或者浸鹽法，將試樣靜置在高溫爐內(nèi)。比如多元氧化物摻雜的氧化鋯/氧化鋁/磷酸涂層材料與熔鹽反應(yīng)，會(huì)生成摻雜金屬的氧化物或者鹽類而使得涂層失效。

（b） 帶基體的純?nèi)埯}熱腐蝕

基體不一定是單晶或定向組織。采用涂鹽法或者浸鹽法，將試樣靜置在高溫爐內(nèi)。此類研究最多，也是應(yīng)用最成熟的 YSZ 及其復(fù)合涂層。研究表明采用電子束物理氣相沉積（EB-PVD）工藝制備 YSZ 涂層的熱腐蝕壽命可以達(dá)到等離子噴涂（APS）工藝制備的兩倍，但是制備成本高、熱導(dǎo)率高。YSZ 的抗熱腐蝕效應(yīng)主要來自致密的 Al2O3 ，其中 Cr、Ta、Y 能穩(wěn)定 Al2O3 的生成提高涂層的抗熱腐蝕性。而外來的 Na、V 和 S都會(huì)引起 Y 元素生成 YVO4 ，使得 YSZ 涂層退化。海洋環(huán)境下，氯化物則是 YSZ涂層熱腐蝕的主要因素，會(huì)造成涂層頂部以及涂層/粘結(jié)層之間產(chǎn)生大量的無保護(hù)性氧化物。近幾年，人們嘗試著通過制備復(fù)合涂層來提高抗熱腐蝕性能，在實(shí)驗(yàn)室獲得比較好的效果，比如 LaPO4 /YSZ/NiCoCrAlY，Sm2SrAl2 O7 （SSA）/NiCrAlY 復(fù)合涂層 MgO和NiO起到提高抗熱腐蝕的能力的作用。還有改進(jìn)涂層制備技術(shù)，如采用大電流脈沖電子束 （HCPEB）工藝可以改善抗熱腐蝕性能。

（c） 模擬海洋大氣熱腐蝕

包括高溫熔鹽電化學(xué)測(cè)試，高溫燃?xì)鉄岣g，先涂鹽，再高溫燃?xì)鉄g。這類對(duì)模擬裝置要求高，國內(nèi)主要參照中華人民共和國航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HB7740-2004 進(jìn)行，采取燃?xì)?+ 高溫爐的方式保證高溫，試樣保持靜置。

絕大多數(shù)文獻(xiàn)都是以考核不同涂層工藝、不同種類鹽、不同溫度、時(shí)間等對(duì)涂層材料熱腐蝕產(chǎn)物的影響為主，而結(jié)合力學(xué)失效分析的研究相對(duì)較少。發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作時(shí)，涂層是處于動(dòng)態(tài)的高溫、沖蝕、腐蝕、離心力環(huán)境，因此實(shí)現(xiàn)模擬實(shí)際工況考察涂層的熱腐蝕顯得尤為重要，遺憾的是，國內(nèi)外大部分實(shí)驗(yàn)室還無法模擬發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工況，在這一塊發(fā)表的數(shù)據(jù)非常少，因此模擬設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)值得進(jìn)一步探索和研究。

4 海洋大氣環(huán)境涂層腐蝕失效機(jī)制

4.1 海洋大氣環(huán)境涂層常溫腐蝕失效機(jī)制

發(fā)動(dòng)機(jī)各種高溫涂層一般具有多孔、多相、多層的特性，因而在海洋大氣環(huán)境下的失效機(jī)理可主要分為閉塞電池腐蝕和電偶腐蝕。

4.1.1 閉塞電池腐蝕

閉塞電池腐蝕存在特有的微縫的金屬構(gòu)件中縫內(nèi)外組成的電池。由于高溫涂層往往具有連續(xù)的多孔結(jié)構(gòu)，在腐蝕性環(huán)境中，腐蝕介質(zhì)能夠通過孔隙向涂層內(nèi)部滲透，在縫隙、蝕孔內(nèi)部存在“閉塞電池”。在閉塞區(qū)域內(nèi)發(fā)生貧氧、酸化、[Cl- ] 富集等變化，在閉塞區(qū)內(nèi)外電化學(xué)條件的差異產(chǎn)生自催化加速腐蝕效應(yīng)。

4.1.2 電偶腐蝕

由于腐蝕電位不同，異種金屬彼此接觸或通過其他導(dǎo)體連通，處于同一介質(zhì)中，造成異種金屬接觸部位的局部腐蝕，就是電偶腐蝕，亦稱接觸腐蝕。高溫涂層一般由幾部分構(gòu)成，由于不同層的材料不同、結(jié)構(gòu)不同、開路電位不同，因此在不同層之間、同層的不同材料之間形成電位差，滿足電偶腐蝕產(chǎn)生的熱力學(xué)因素；加之具有多孔，在不同層之間由于孔隙存在可以形成導(dǎo)通的回路，在高電位區(qū)域與低電位區(qū)域之間形成暢通的電子通道和離子通道，滿足電偶腐蝕產(chǎn)生的動(dòng)力學(xué)因素；當(dāng)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件同時(shí)滿足時(shí)，即可發(fā)生電偶腐蝕。

4.2 海洋大氣環(huán)境涂層熱腐蝕失效機(jī)制

發(fā)動(dòng)機(jī)在海洋環(huán)境中服役，必然受到高溫、高濕、高鹽度以及大量腐蝕顆粒的考驗(yàn)。因此，其熱腐蝕失效是高溫腐蝕、熱應(yīng)力、高溫沖蝕的共同結(jié)果。

從單一因素考慮，包括氧化相變機(jī)制、熱應(yīng)力作用機(jī)制和外來物沖蝕三種失效機(jī)制。

在熱腐蝕過程中，氧化相變來自熔鹽與涂層的腐蝕產(chǎn)物、涂層自身高溫相變以及涂層多結(jié)構(gòu)之間的化學(xué)作用；熱應(yīng)力作用則更為復(fù)雜，因溫度梯度引起的熱應(yīng)力、相變導(dǎo)致的熱應(yīng)力、熱不匹配引發(fā)的形變熱應(yīng)力、氧化膜生長引起的應(yīng)力等在界面處的聚集，使得界面區(qū)域是破壞發(fā)生最多的區(qū)域。周益春等人研究了涂層在熱錯(cuò)配應(yīng)力作用下的開裂機(jī)理，建立了一種具有真實(shí) TGO形貌的 TBCs 裂紋擴(kuò)展有限元方法。通過對(duì)界面裂紋擴(kuò)展的分析，發(fā)現(xiàn) TC/TGO 界面存在兩種失效機(jī)理：（1） 由于沒有微水平裂紋，界面裂紋的發(fā)展導(dǎo)致 TC 層發(fā)生開裂；（2） 當(dāng)存在微水平裂紋時(shí)，TC 層的開裂是水平裂紋和界面裂紋發(fā)展相互作用的結(jié)果。

海洋大氣環(huán)境中的鹽顆粒對(duì)涂層的沖蝕作用不可忽略。這種高溫、高速?zèng)_蝕會(huì)在涂層粘結(jié)層內(nèi)部造成裂紋源，從而引起涂層的失效。周益春團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了 APS TBCs 沖蝕模型：

其中 α 是沖擊角度，Ke 每顆粒子吸收動(dòng)能的比率，v 粒子速度，δ 層厚，ρc 陶瓷層密度，Γ 陶瓷層斷裂韌性。

圖 3 熱障涂層沖蝕速率模擬

事實(shí)上，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫涂層在海洋大氣環(huán)境中服役剝落的本質(zhì)是受到溫度場、應(yīng)力場、化學(xué)場等“熱力化”耦合作用的結(jié)果。三者關(guān)系如下：

（1） 溫度場：界面氧化、沖蝕、CMAS 都在高溫下進(jìn)行，與溫度場有直接的關(guān)系；（2）應(yīng)力場：TBCs各層熱膨脹系數(shù)的不匹配、服役過程中的機(jī)械載荷決定了界面氧化、沖蝕、CMAS 均在有應(yīng)力場的作用下發(fā)生；（3） 化學(xué)場：氧、CMAS 和 TBCs 體系的各種元素反應(yīng)生成新的化合物，如 TGO，硅酸鋯，尖晶石，而它們?nèi)Q于體系的化學(xué)勢(shì)、濃度等化學(xué)場的參量；（4） 化學(xué)場、溫度場、應(yīng)力場的相互促進(jìn)：化學(xué)反應(yīng)時(shí)新的化學(xué)產(chǎn)物形成時(shí)會(huì)影響體系的溫度場，同時(shí)約束體系以及新材料加劇的熱失配將改變體系的應(yīng)力場；溫度場極大的影響化學(xué)反應(yīng)，如元素?cái)U(kuò)散、滲透深度、反應(yīng)速度以及熱失配應(yīng)力；應(yīng)力場則極大的影響氧或化學(xué)反應(yīng)元素的擴(kuò)散。（5） 裂紋也是熱力化耦合多場作用下的擴(kuò)展過程：當(dāng)有微缺陷存在時(shí)，氧的擴(kuò)散、化學(xué)反應(yīng)、應(yīng)力場會(huì)在缺陷處產(chǎn)生明顯的聚集、集中，然后進(jìn)一步促進(jìn)裂紋的擴(kuò)展。

Loeffel 和 Anand針對(duì)熱障涂層的氧化 - 粘塑性變形問題建立了傳熱、彈性 - 粘彈性變形、氧氣擴(kuò)散和氧化反應(yīng)之間的耦合，但該理論僅考慮氧化膨脹應(yīng)變而不涉及擴(kuò)散介質(zhì)引起的體積變化，同時(shí)采用冪函數(shù)形式的演化率方程來抽象地描述反應(yīng)速率也是有欠缺的。

湘潭大學(xué)周益春課題組對(duì) CMAS 滲透與腐蝕的熱力化耦合理論進(jìn)入了深入研究，推導(dǎo)了不帶基體 TBCs 高溫腐蝕過程廣義本構(gòu)關(guān)系：

熵與溫度，應(yīng)力與彈性應(yīng)變，化學(xué)勢(shì)與濃度三個(gè)廣義本構(gòu)關(guān)系：

其中，s 代表 CMAS 腐蝕涂層過程單位體積材料系統(tǒng)的熵； εe 代表高溫腐蝕過程熱量流動(dòng)導(dǎo)致涂層的熱應(yīng)變，考慮到腐蝕條件為恒溫，則此應(yīng)變等于零；Hemholtz 自由能 Ψ；溫度 θ；CMAS 濃度 c；彈性應(yīng)變 εe 。

從目前人們對(duì) TBCs 破壞機(jī)制的研究來看，熱力化耦合的本質(zhì)機(jī)制依然存在一系列的科學(xué)問題需要解決：包括模型的建立和實(shí)驗(yàn)表征等。

5 涂層性能常用的測(cè)試分析方法

研究表明熱端涂層失效的原因是受到溫度場、應(yīng)力場、化學(xué)場耦合的結(jié)果，因此選擇時(shí)間、空間分辨率高的分析技術(shù)來研究熱端涂層服役過程中的溫度場、應(yīng)力場、化學(xué)場顯得極為關(guān)鍵。目前常用的測(cè)試分析方法如下：

5.1 溫度場測(cè)量

隨著航空航天事業(yè)的發(fā)展，航空發(fā)動(dòng)機(jī)正向著高效率、高性能、高推重比（發(fā)動(dòng)機(jī)推力與發(fā)動(dòng)機(jī)或飛機(jī)重量的比值）發(fā)展，為滿足更高的要求，需提高燃燒室的溫度，使燃料充分燃燒，渦輪前進(jìn)口溫度也相應(yīng)提高，由于受到渦輪葉片材料的限制，熱端部件的溫度不能超過其承受范圍，否則渦輪葉片將會(huì)融化變形，造成毀滅性的事故。現(xiàn)在服役的第四代發(fā)動(dòng)機(jī)前進(jìn)口溫度已經(jīng)接近2000K，未來第五代發(fā)動(dòng)機(jī)甚至可達(dá)到 2250K，在如此高的溫度下，發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的溫度測(cè)量已變得極為困難。

目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片溫度測(cè)量技術(shù)分為接觸式和非接觸式兩類。接觸式測(cè)量有壁溫?zé)犭娕肌⒈∧犭娕肌⒁壕y(cè)溫和示溫漆等。壁溫?zé)犭娕紲y(cè)溫是基于溫差電效應(yīng)，兩種不同材料連接成閉合回路，當(dāng)兩種金屬連接點(diǎn)存在溫差時(shí)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的熱電勢(shì)，以此判定材料此時(shí)的溫度，但是需要在測(cè)量目標(biāo)上面開槽埋入熱電偶，如此會(huì)對(duì)材料的強(qiáng)度造成影響。為避免這個(gè)缺點(diǎn)，隨著沉積技術(shù)的日趨成熟，可以將熱電偶沉積在具有絕緣層的材料表面，這就是薄膜熱電偶。液晶測(cè)溫和示溫漆只能顯示被測(cè)材料所經(jīng)歷的溫度范圍，精確度不足，不能實(shí)時(shí)顯示溫度，且當(dāng)渦輪葉片高速旋轉(zhuǎn)時(shí)還會(huì)發(fā)生脫落，造成溫度測(cè)量的不準(zhǔn)確，因而科研工作者探索了非接觸式測(cè)溫方法。非接觸式測(cè)溫主要有紅外輻射溫度計(jì)、熱輻射高溫計(jì)，這兩種測(cè)溫方法都是基于普朗克輻射定律，通過搜集被測(cè)材料表面所發(fā)出的熱輻射量而確定溫度，這種測(cè)溫方法提供了既不干擾表面也不影響周圍介質(zhì)的測(cè)溫方法，對(duì)于高速旋轉(zhuǎn)的渦輪葉片溫度的實(shí)時(shí)檢測(cè)是非常合適的。除此之外，還有熒光溫度計(jì)、超聲波等方法，但是由于熒光材料、測(cè)量精度等問題尚未在渦輪葉片上實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量。

5.2 應(yīng)力場測(cè)量

目前，測(cè)量應(yīng)力的方法主要分為兩大類。

（1） 機(jī)械法，如鉆孔法、取條法等。機(jī)械法測(cè)量殘余應(yīng)力一般將具有殘余應(yīng)力的部分從構(gòu)件中分離或切割出來，使應(yīng)力釋放。然后測(cè)量其應(yīng)變的變化求出殘余應(yīng)力，是一種間接測(cè)量手段。機(jī)械法會(huì)對(duì)工件造成一定的損傷和破壞，但由于其具有理論完善、技術(shù)成熟、測(cè)量精度較高等優(yōu)點(diǎn)，目前在現(xiàn)場測(cè)試中應(yīng)用廣泛。

（2） 物理檢測(cè)法，如 X 射線衍射法、中子衍射法、超聲波法、納米壓痕法、濺射深度剖析法、光激發(fā)熒光譜技術(shù)、顯微拉曼光譜技術(shù)、聲發(fā)射法等。這些方法均屬于無損檢測(cè)，對(duì)工件不會(huì)造成破壞，但成本較高，其中 X 射線衍射法發(fā)展最為成熟。周益春團(tuán)隊(duì)開展了十多年的聲發(fā)射無損檢測(cè)技術(shù)研究，已經(jīng)掌握了該方法的集成、檢測(cè)與信號(hào)分析，實(shí)現(xiàn)了服役環(huán)境模擬下失效過程的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

5.3 化學(xué)場測(cè)定

目前化學(xué)元素、相成分、相結(jié)構(gòu)方面的測(cè)定主要有：X 射線衍射相分析、電化學(xué)原位拉曼光譜法、交流阻抗譜、原位紅外反射吸收光譜法（IRRAS）等。宮聲凱等人發(fā)現(xiàn)交流阻抗譜中低頻段阻抗值的變化可以有效地反映熱障涂層熱氧化層內(nèi)橫向裂紋的萌生及擴(kuò)展。周益春等人從實(shí)驗(yàn)和理論上解釋了熱障涂層復(fù)阻抗譜測(cè)量時(shí)電場發(fā)散的本質(zhì)，表征了氧化層厚度、陶瓷層孔隙與氧化環(huán)境的演化關(guān)系。

但總的來說，高溫服役環(huán)境下?lián)p傷的實(shí)時(shí)檢測(cè)，尤其是損傷的定量評(píng)價(jià)還不成熟。更重要的是，在現(xiàn)有的試驗(yàn)?zāi)M裝置中，除了靜態(tài)裝置中有少量圖像、重量、溫度等參數(shù)的檢測(cè)手段外，很少有成熟的無損檢測(cè)技術(shù)，動(dòng)態(tài)裝置中的檢測(cè)方法尤為匱乏，是這一研究領(lǐng)域的巨大挑戰(zhàn)。

6 結(jié)論

航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫涂層在海洋大氣環(huán)境下服役，除了常溫-高溫?zé)嵫h(huán)沖擊外，還要受到高濕、高鹽分的大氣腐蝕，因此其失效是一個(gè)非常復(fù)雜的熱、力、化耦合的過程。本文總結(jié)歸納了國內(nèi)外的典型研究成果，得出以下結(jié)論：

海洋大氣具有復(fù)雜的腐蝕性，且具有動(dòng)態(tài)性、地域性等特點(diǎn)。同一地點(diǎn)的海洋大氣成分、溫度、濕度時(shí)刻發(fā)生著變化，不同經(jīng)緯度的海洋大氣也存在差異，因此在研究航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫涂層耐海洋大氣腐蝕時(shí)，需要考慮不同鹽分、濃度、溫度、濕度的情況；甚至需要仿真動(dòng)態(tài)氣氛環(huán)境下高溫涂層的耐腐蝕性能。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫涂層種類多，每一種都具有其特定的性能，但在海洋環(huán)境中卻可能受到嚴(yán)重的潮濕或鹽霧腐蝕破壞，使葉片壽命縮短，給發(fā)動(dòng)機(jī)帶來安全隱患。目前這些工作還處在基礎(chǔ)和應(yīng)用研究階段。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際服役情況是常溫-高溫?zé)嵫h(huán)狀態(tài)，且 90% 以上時(shí)間處于常溫狀態(tài)。常溫腐蝕機(jī)制為閉塞電池腐蝕和電偶腐蝕，常采用鹽霧腐蝕實(shí)驗(yàn)和電化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)進(jìn)行考核。高溫?zé)岣g失效是高溫腐蝕、熱應(yīng)力、高溫沖蝕的共同結(jié)果，本質(zhì)是受到溫度場、應(yīng)力場、化學(xué)場等“熱力化”耦合作用的結(jié)果。

測(cè)試分析的方法由事后靜態(tài)分析法向原位動(dòng)態(tài)分析法發(fā)展，由接觸破壞法向無損檢測(cè)法發(fā)展。

新的測(cè)試分析方法為更好地研究海洋大氣環(huán)境涂層的腐蝕失效機(jī)制提供更加精確的數(shù)據(jù)。

但也要看到：針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫涂層耐海洋大氣腐蝕的研究，依然存在很多問題，可以預(yù)期的是：

（1） 理論方面，需要綜合考慮常溫腐蝕與高溫腐蝕交替進(jìn)行過程中的氧化、腐蝕、蠕變、塑性變形、溫度梯度及基底曲率等因素的影響，分析不同結(jié)構(gòu)涂層熱循環(huán)、腐蝕、氧化、沖蝕等作用下應(yīng)力場與應(yīng)力強(qiáng)度因子的演變規(guī)律。

（2） 結(jié)合非線性連續(xù)介質(zhì)力學(xué)與相場理論，建立涂層高溫氧化、CMAS 腐蝕的力化本構(gòu)模型，揭示出其熱力化耦合的失效機(jī)制。

（3） 實(shí)驗(yàn)方面，探索了原子尺度下涂層界面氧化、涂層 CMAS 的高溫原位透射電鏡觀察方法，結(jié)合第一性原理揭示了熱障涂層原子尺度下氧化、腐蝕的機(jī)理。基于所發(fā)展的各種熱力與服役環(huán)境模擬方法，結(jié)合實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)，系統(tǒng)研究了熱力載荷、高溫氧化、沖蝕、CMAS 腐蝕等載荷下的失效模式與失效準(zhǔn)則。

參考文獻(xiàn)：（略）