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前沿科學難題：熱障涂層破壞理論與評價技術

2021-09-16 16:26:55 作者：周益春楊麗朱旺來源：科學出版社分享至：

航空發動機是飛機的“心臟”，國之重器，是國家核心競爭力的重要標志之一。三代、四代航空發動機渦輪前進口溫度均超過高溫金屬材料的熔點。一代材料，一代裝置，作為提升燃氣渦輪發動機服役溫度最切實可行的技術，熱障涂層已成為航空發動機、燃氣輪機高壓渦輪葉片等熱端部件必不可少的熱防護材料，極大程度上決定了發動機的性能與發展水平。世界各航空強國均在重大推進計劃中把熱障涂層列為核心關鍵技術，我國也已經把熱障涂層列為兩機迫切需求的關鍵技術。

▲ 熱障涂層渦輪葉片及熱障涂層系統的橫截面圖

服役在發動機渦輪葉片等熱端部件的熱障涂層，長時間處于近馬赫數、2000K燃氣的沖擊，1 萬～5 萬轉/分旋轉離心力，疲勞、蠕變、CMAS 腐蝕、顆粒沖蝕、氧化等并伴隨化學反應的極端環境下。極端惡劣環境致使涂層以多種復雜的機制剝落失效，這給破壞理論的研究帶來許多新的挑戰。例如，熱障涂層界面氧化失效問題中的氧化反應、熱失配與生長應力、高溫等會彼此影響，氧化過程及其誘導的涂層剝落既是一個典型的熱力化耦合物理非線性問題，同時又是一個應變可高達10%的幾何非線性問題。又如，高溫下熱障涂層的高溫熔融物（鈣鎂鋁硅氧化物，簡稱CMAS）腐蝕，其滲透規律、性能演變規律、熱力化耦合機制，都是熱障涂層表現出的新的破壞現象，迄今人們對這一現象的力學本質還認識不足。

▲ CMAS 導致YSZ 涂層剝落的示意圖

渦輪葉片幾何形狀復雜（含缺陷、多層體系的熱障涂層微結構），且服役時涂層和界面的成分、微結構及性能都會演變，且物理和幾何都是非線性的特性給力學性能表征、數值模擬技術都帶來了新的問題。此外，高溫是熱障涂層不可避免的服役環境，如何實現高溫下涂層性能的表征，如何準確描述高溫復雜環境的載荷條件，都是熱障涂層破壞分析需要考慮的問題。

▲ 熱障涂層CMAS 腐蝕不同失效模式隨時間的分布

性能評價與服役壽命預測是熱障涂層應用部門最迫切的需求，服役壽命與材料、服役環境參數的關聯則是熱障涂層生產部門最直接的依據，也是破壞機制研究的最終目標，更是這一領域最為棘手的前沿科學難題。此外，模擬考核裝置能提供最可信、直接的實驗依據，是熱障涂層破壞機制分析、評價技術研究領域的熱點與重點，也是各國封鎖點。

因此，熱障涂層剝落破壞的理論、數值計算方法、力學性能表征、性能與服役壽命評價，以及試車前的模擬考核裝置，都是熱障涂層破壞機制與性能評價研究需要研究的內容。

▲ 熱力化的耦合問題

固體力學為熱障涂層破壞機制的研究提供了理論體系與研究手段，但熱障涂層極其復雜的服役環境、幾何形狀、微結構及其演變規律也給固體力學提出了巨大的挑戰。

《熱障涂層破壞理論與評價技術》（周益春，楊麗，朱旺著。北京：科學出版社，2021.3）針對熱障涂層剝落失效對固體力學的迫切需求與諸多挑戰，基于作者近二十年的研究積累，融入國內外同仁在這一領域的研究成果，從基礎理論、性能表征、性能評價三個方面闡述熱障涂層破壞理論與評價技術。為滿足科研人員和應用技術人員的不同需求，本書注重“科學”（基礎理論）與“工程”（工程應用）的結合，并依據“理論-方法”-裝置“的研究主線，將整書內容分為三篇。

如在第一篇的破壞理論方面，本書介紹了熱力化耦合本構關系的基礎理論與構建框架，同時詳細介紹了熱障涂層界面氧化、CMAS 腐蝕熱力化耦合失效的具體模型、氧化與腐蝕規律和機制，為從事熱障涂層及相關領域熱力化耦合理論的學習與科研提供基礎，同時也為熱障涂層工藝與應用的相關技術人員了解氧化、腐蝕機制提供科學依據。

▲ 靜態模擬裝置的整體設計效果

在第二篇性能表征與第三篇評價技術方面，本書針對熱障涂層對固體力學現有表征方法與試驗裝置提出的挑戰，強調從”理論模型—測試方法—試驗裝置“的系統層次進行介紹、分析和總結，科研人員可以以此進行新的思考和研究，應用技術人員也可以直接應用這些技術開展熱障涂層的表征與評價工作。

▲ 熱力化耦合試驗與測試裝置的工作原理

本書分為三篇，共15 章。

第一篇即第1～6 章，介紹熱障涂層的破壞理論，其中第1 章和第2 章分別介紹熱力化耦合的理論框架和非線性有限元理論，第3～6 章分別介紹熱障涂層界面氧化、CMAS 腐蝕、沖蝕熱力化耦合的破壞理論與機制。

第二篇即第7～12 章，介紹熱障涂層性能與損傷的表征技術，第7～9 章凝練熱障涂層基本力學性能、斷裂韌性、殘余應力的各種先進表征方法，第 10～12章介紹裂紋、界面氧化、應力應變場等關鍵損傷參量的無損實時表征方法，

第三篇即第13～15 章，介紹熱障涂層性能評價技術，包括隔熱與強度綜合效果的評價、可靠性與服役壽命的評價以及模擬考核方法與試驗平臺方面的進展。

▲ 熱障涂層高溫拉伸過程應變實時原位測量裝置示意圖

作者希望通過系統的理論、方法以及試驗平臺及相關測試技術等研究成果的詳細介紹，幫助讀者對熱障涂層的剝落失效及研究方法有一個較為全面的認識，同時可以以此為基礎開展相關研究工作，促進熱障涂層在我國航空發動機和燃氣輪機（簡稱”兩機“）上的安全應用與可持續發展。

該書第一作者周益春教授是”國家自然科學基金杰出青年科學基金“和”國家級教學名師“獲得者；第二作者楊麗教授是”教育部青年長江學者“和”中組部‘萬人計劃’青年拔尖人才“；第三作者朱旺副教授是”湖南省自然科學優秀青年基金“獲得者和湖南省優秀博士論文獲得者。周益春教授從1999 年開始帶領團隊，在2 項國家自然科學基金重大項目、1 項國家自然科學基金杰出青年科學基金項目、1 項國家自然科學基金重點項目、1 項裝置發展部”十三五“裝置預研領域基金重點項目、2 項國防技術基礎科研項目以及中國航空發動機集團相關單位委托的多個項目的長期資助下，二十余年致力于熱障涂層破壞理論與評價技術方面的研究。因此，該書凝結了周益春教授及其團隊的系列創新成果。該書的出版將有利于我國熱障涂層的安全應用與發展，也將為我國建成航空強國做出重要貢獻。

劉大響

2020 年11 月16 日

本文摘編自《熱障涂層破壞理論與評價技術》（周益春，楊麗，朱旺著。北京：科學出版社，2021.3）一書”序“”緒論“，有刪減，標題為編者所加。

ISBN 978-7-03-068280-2

責任編輯：劉鳳娟趙穎

熱障涂層是先進航空發動機渦輪葉片等高溫部件的關鍵熱防護材料，涂層剝落是巨大的瓶頸，極其復雜的微結構、服役環境與失效行為，給涂層剝落分析的力學理論、實驗方法與試驗平臺帶來諸多挑戰。本書圍繞熱力化耦合理論、性能表征與考核評估闡述了熱障涂層破壞理論與評估技術。該書是作者及其團隊的系列研究成果，也包括國際國內最新研究成果的評述。本書不僅適用于熱障涂層及相關領域的科研人員，同時也適用于熱障涂層研究領域工程技術人員，還適合于材料、力學、機械、檢測等領域的博士、碩士研究生及高年級本科生參考。

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