尚福林 ）  包澤贏  郭顯聰  趙朋飛  常 遠  孫長安  李曉冬
西安交通大學(xué)航天航空學(xué)院工程力學(xué)系/機械結(jié)構(gòu)強度與振動國家重點實驗室，西安 710049

　　摘要：熱障涂層（TBC）技術(shù)是重型燃氣輪機和渦輪發(fā)動機熱端部件制造中的一項關(guān)鍵技術(shù)。在制備和服役環(huán)境下，經(jīng)典TBC材料結(jié)構(gòu)中的Ni基合金粘結(jié)層與YSZ陶瓷層界面間會形成Al2O3氧化物膜層，該氧化物層以及Ni/Al2O3界面是決定涂層系統(tǒng)使用壽命的主要因素。本課題組集中探討了熱障涂層材料強度特性的兩個基礎(chǔ)性科學(xué)問題：（1）測試熱障涂層結(jié)合強度的實驗與表征方法；（2）Ni/Al2O3界面在復(fù)雜加載條件下的界面強度和斷裂特征。運用實驗手段，對熱障涂層結(jié)合強度特性進行了測試研究，研究了掌握不同溫度、不同組分涂層材料的界面結(jié)合強度和斷裂韌度等特性。其中，發(fā)展了修正三點彎曲、四點彎曲試樣以及納米壓痕方法，對新噴涂和含氧化層的8YSZ熱障涂層材料進行了常溫、100°C、250°C、450°C條件下的測試；進而結(jié)合理論解析解、或經(jīng)驗公式，確定了所測試涂層的結(jié)合強度和斷裂韌度等性能。另一方面，開展基于密度泛函理論方法的第一原理計算研究，重點探討了Ni/Al2O3界面在單軸拉伸、純剪切和混合加載條件下的強度特性和斷裂方式等。首先，針對理想Ni/Al2O3界面和含摻雜Y的Ni/Al2O3界面，對其在單向拉伸載荷下的斷裂特征和基礎(chǔ)強度結(jié)果進行了再分析，澄清了文獻中關(guān)于Al-O和O-Al兩類界面的脆性/韌性斷裂以及原子結(jié)合鍵斷裂位置的矛盾性認識，同時指出了對界面實施真實單軸拉伸、而非單向拉伸的必要性；并且定量分析了Y原子對界面結(jié)合的增強作用。進而，開展了該界面在純剪切載荷條件下的第一原理計算，掌握了兩類Ni/Al2O3界面的理論剪切強度和斷裂特征。在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)開展了混合加載條件下Ni/Al2O3界面的失效特性研究，分析了兩類滑移情況下的拉伸-剪切耦合效應(yīng)，構(gòu)建了該界面混合型勢能函數(shù)的解析表達式。這些研究結(jié)果可為基于連續(xù)力學(xué)方法模擬該界面破壞過程提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和模型驗證。

　　關(guān)鍵詞：熱障涂層，結(jié)合強度，Ni/Al2O3界面，彎曲實驗，第一原理計算

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　　尚福林：shangfl@mail.xjtu.edu.cn
 

責(zé)任編輯：趙澤南

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