熱障涂層憑借其卓越的隔熱性能，廣泛應用于燃氣渦輪發動機的高溫部件中，顯著提升了發動機的效率和性能。然而，在高溫服役環境下，由于粘結層氧化等作用，熱障涂層與基體之間的界面裂紋會逐漸擴展，最終導致涂層剝落。因此，界面失效行為的評估已成為熱障涂層研究的核心問題之一。

目前，常溫下用于表征熱障涂層界面失效的測試方法難以適用于高溫環境，而一些高溫測試方法則難以實現單純的界面斷裂。作為一種微納米尺度的測試方法，壓痕法在熱障涂層力學性能測試中得到了廣泛應用。通過界面壓痕法，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試涂層斷裂形貌，導致其應用受限。因此，在高溫條件下對熱障涂層界面失效行為進行定量研究仍面臨巨大挑戰。

北京理工大學先進結構技術研究院方岱寧院士課題組曲兆亮副教授等人基于高溫X射線成像和原位壓痕加載裝置，發展了高溫原位界面壓痕法，實現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”為題發表于固體力學領域頂級期刊《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。開展了常溫、400℃和800℃下熱障涂層的原位界面壓痕測試。通過X射線成像對熱障涂層高溫界面斷裂過程進行了實時監測。提出了一種數字X線攝影垂直度校正方法，實現了高溫下界面壓痕過程中熱障涂層面外位移的精確測試。CT實驗結果表明，界面壓痕法得到的熱障涂層界面裂紋呈半橢圓形擴展，隨著溫度的升高，裂紋擴展的長度顯著增加。

圖1、基于X射線成像的高溫界面壓痕方法

研究通過有限元方法定量分析了壓痕過程中熱障涂層的能量演化和應力分布，得到了不同溫度下涂層的復合應力強度因子（SIF）、混合模態角和界面韌性數值。發現熱障涂層的界面韌性與溫度密切相關，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）。基于測試結果，提出了一種熱障涂層界面韌性隨溫度變化的預測模型。

圖2、不同溫度下熱障涂層的界面韌性。紅線表示界面韌性隨溫度變化的預測模型

研究了界面失效過程隨溫度的演變行為，獲得了不同溫度下裂紋擴展路徑（圖3）。利用原位CT對不同溫度下TC的內部缺陷進行了表征，發現裂紋擴展路徑的改變可部分歸因于內部缺陷的演變。獲得了不同溫度下界面裂紋的競爭機制，揭示了界面韌性與失效模式的映射關系（圖4）。

圖3、不同溫度下的界面裂紋擴展路徑

圖4、界面裂紋擴展路徑與界面韌性的映射關系

該研究成果有助于加深高溫環境下涂層失效機理的認識，為更耐高溫、韌性更強涂層材料的設計研發提供了數據支撐和機理參考。

方岱寧院士課題組圍繞熱障涂層的失效行為開展了一系列高溫原位實驗研究，提出了一系列高溫原位力學測試表征方法，相關成果如下：

相關成果

[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.