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

　　摘要：熱障涂層（TBC）技術是重型燃氣輪機和渦輪發動機熱端部件制造中的一項關鍵技術。在制備和服役環境下，經典TBC材料結構中的Ni基合金粘結層與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性科學問題：（1）測試熱障涂層結合強度的實驗與表征方法；（2）Ni/Al2O3界面在復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合強度和斷裂韌度等特性。其中，發展了修正三點彎曲、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；進而結合理論解析解、或經驗公式，確定了所測試涂層的結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強度結果進行了再分析，澄清了文獻中關于Al-O和O-Al兩類界面的脆性/韌性斷裂以及原子結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。在此基礎上，繼續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，構建了該界面混合型勢能函數的解析表達式。這些研究結果可為基于連續力學方法模擬該界面破壞過程提供基礎數據和模型驗證。

　　關鍵詞：熱障涂層，結合強度，Ni/Al2O3界面，彎曲實驗，第一原理計算

　　聯系方式

　　尚福林：shangfl@mail.xjtu.edu.cn
 

責任編輯：趙澤南

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