热障涂层破坏机理及实验表征方法研究
我“热障涂层的设计和失效机理研究”获重要进展
我“热障涂层的设计和失效机理研究”获重要进展
[导读] 日前，中科院长春应化所在热障涂层的设计思路、失效机理以及新型热障涂层材料研发等方面取得重要进展，设计并成功制备出使用温度≥1250℃的双陶瓷层热障涂层材料，热障涂层的设计和失效机理研究”成果荣获2013年吉林省自然科学奖一等奖。
日前，中科院长春应化所在热障涂层的设计思路、失效机理以及新型热障涂层材料研发等方面取得重要进展，设计并成功制备出使用温度≥1250℃的双陶瓷层热障涂层材料，“热障涂层的设计和失效机理研究”成果荣获2013年吉林省自然科学奖一等奖。
热障涂层技术利用陶瓷材料的高隔热性和耐腐蚀性来保护金属基底，在能源、航空、航天等方面都有重大应用价值。
各国都在努力研究能替代8YSZ、在更高温度下使用的热障涂层材料。
长春应化所科研人员立足于稀土科技的国际前沿，在国家杰出青年科学基金和科技部863计划等项目的支持下，开展了热障涂层的设计和失效机理研究，取得了一系列创新性科研成果。
提出了将稀土应用于热障涂层材料并通过离子取代来改善材料性能的思想；深入研究了热障涂层新材料和结构，发明了以稀土为主的一系列新型高温热障涂层材料即稀土锆酸盐；在此基础上，设计了使用温度≥1250℃
的双陶瓷层、多陶瓷层和界面梯度热障涂层材料，极大地提高了涂层的使用温度和寿命，突破了8YSZ的使用温度极限，为研制在更高温度下使用的涂层开辟了一条新途径。
热障涂层的失效机制研究
４热 障 涂层 的寿 命预 测 与展 望
热障 涂层在 很 多领域 应用都 极其 广泛 ， 在 其所有 性能 中 ，
涂层 的使用寿 命是使用 该涂层 的最关键 。 研究 预测热障 涂层 的
致 了底 层粗 糙 度较 大 ， 面层 厚度 较 薄的 区域 产生 应 力集 中 ， 促
使 裂纹 的产 生并 随之 扩 展 ， 这是 致使 涂 层失 效 的最主 要 因素 。
（ ２ ） 涂层 在 工作 时热 生长物 的生长 状态 、 陶瓷 与金 属层 的 烧 结蠕 变等 情 况都 会产 生一 定 的应 力 。 当热 生长 物在 生长 时 ， 其 内部 会 产生 很 大 的应 力 ， 甚 至有 时 会达 到 好几 个Ｇ Ｐ ａ ， 如 此 大 的应 力 自然会导 致生 长物 内部产 生比较 大的裂 纹 ， 从 而导致 热障 涂 层体 系发 生 失效 。 根 据相 关 文献 报道 ， 应 用有 限元 模拟
使用寿命 可以说 是腐蚀 界的一大 课题 。 热障涂 层的高温 失效 问 题 一直都是 人们关 注的课题 ， 分析涂 层的失效机 理 ， 改善与创
新 涂 层的 制备 工艺 ， 探 索新 型热障 涂 层材料 ， 丰 富并 完善涂 层 寿 命预测 体系 ， 对提 高热障涂 层的综合 性能和 工作寿命都 有重 当在 制备 热障 涂 层以 及其在 工作 过程 中均会产 生不 同形 大 的意义 。 式 的应 力 ， 导致 涂 层会在 各 种应 力的 综 合作 用下 以脱落 、 减薄 根据 国 内外相 关报道和研 究表 明 ， 热障涂 层未来的研 究主 等 方式 失效 。 应 力的产生 主要发生 在２个阶 段。 （ １ ） 涂 层在制备 过程 中 ， 制 备涂 层的材料 形状 、 热膨胀 系数 要 往以下几个 方面扩展 ： （ １ ） 选择性能更好的相关材料 ， 提高热障涂层综合性能 ， 对于 的以及 材料之 间的温 度梯 度都会 产生一 定的应 力 。 甚至在 喷涂 ４ ０ ０ ￣ Ｃ及其以上的高温热障涂 层材料体系更 多的研究 ； 过 程 中不 同材 料有 着不 同的性 质 ， 而 喷涂时 的预热 过程及 在不 涂层在 １ 同材料 上 面喷 涂 的厚 度均 会在 一定 的程 度上 影 响涂 层的 最后 应 力分 布 情况 ， 同时 陶瓷 层材 料及 厚 度 、 基材 及喷 涂工 艺对 热 障 涂 层寿 命均 有较 大影 响 ， 应 力对 较 薄陶瓷 层 有影 响 ， 最终 在 各 种材 料 的应 力综 合 作用 之下 ， 导 致涂 层 的失效 。 因此 通常 来 说 合理释放 应 力可以有效 提高涂 层耐用性 。
热障涂层的研究与应用
热障涂层的研究与应用热障涂层（Thermal Barrier Coating，TBC）是一种能够提供高温隔热保护的表面涂层，广泛应用于航空航天、能源、汽车等领域。
本文将介绍热障涂层的研究与应用情况。
一、热障涂层的研究进展热障涂层的研究始于20世纪60年代，最初是为了解决航空发动机高温部件的热疲劳问题。
随着材料科学和涂层技术的发展，热障涂层的性能得到了显著提升。
目前，研究人员主要关注以下几个方面：1. 涂层材料的研发：热障涂层通常由两层组成，底层是粘结层，用于提供涂层与基材的附着力；顶层是热障层，用于隔热。
研究人员通过改变材料的成分和结构，提高涂层的热隔热性能和耐热性。
2. 涂层制备技术的改进：目前常用的涂层制备技术包括等离子喷涂、物理气相沉积和化学气相沉积等。
研究人员致力于改进涂层制备技术，提高涂层的致密性和附着力，以及减少制备过程中的缺陷和残余应力。
3. 涂层性能的评估方法：研究人员开发了一系列评估热障涂层性能的方法，包括热循环试验、热冲击试验、高温氧化试验等。
这些方法可以评估涂层的耐热性、热隔热性和抗氧化性能。
二、热障涂层的应用领域热障涂层在航空航天、能源和汽车等领域有着广泛的应用。
1. 航空航天领域：热障涂层被广泛应用于航空发动机的涡轮叶片、燃烧室和燃气涡轮等高温部件。
它可以提供高温隔热保护，延长部件的使用寿命，提高发动机的性能和可靠性。
2. 能源领域：热障涂层被应用于燃气轮机、燃煤锅炉和核电站等能源设备中。
它可以减少能源设备的热损失，提高能源利用效率，降低能源消耗。
3. 汽车领域：热障涂层被应用于汽车发动机的活塞、气缸盖和排气系统等部件。
它可以降低发动机的燃油消耗，提高汽车的动力性能和经济性。
三、热障涂层的未来发展趋势热障涂层的研究和应用仍然面临一些挑战，如涂层的耐热性、热隔热性和抗氧化性能的进一步提高，涂层制备技术的改进，以及涂层与基材之间的附着力等。
未来的发展趋势包括：1. 新材料的研发：研究人员将继续开发新的材料，如陶瓷基复合材料和金属基复合材料，以提高涂层的性能。
热障涂层热冲击实验设备的研究
以上两种目前常用的氧化和热震试验方法大多是人工操作，没有专门设备， 试验工作量大，试验条件不统一，一些重要的试验参数，如试样的加热和冷却速 度、试样表面的热震形貌变化和热裂纹发生和扩展情况等不能及时观察和记录、 保存。导致试验结果不能在同一个标准下进行对比分析，一般只是定性的说明， 很难准确评价涂层的热冲击性能。
近年来国内外也有一些文献资料报道了一些研究热障涂层的热震试验方法和 相应的试验装置，如采用激光作为热源，用声发射技术监测裂纹起裂和扩展的信 息，同时试样加热冷却的情况也可记录下来，但尚有许多因素影响试验的准确 性。如很难区分同一个区域同时有几条裂纹开裂的情况；北京勤合科技有限公司 的激光热源的快速集中加热，被照射区域的涂层迅速膨胀，但被边缘未受到照射 的“冷”涂层边界约束而生产“鼓泡”现象等，与涂层实际热疲劳失效情况出入较 大。还有一些试验试验装置和试验方法的报道，但大多是针对某一类型的个别试 样进行测试，多用红外侧温系统监测涂层表面温度，用声发射、超声波等技术监 测涂层开裂和裂纹扩展情况。实验装置复杂，试验过程繁琐，评价方法影响因素 多，很难建立统一标准，且造价昂贵，目前市场上尚未见到有专业化、商品化的 热震试验机报道。
置、同种试样的条件下进行加热冷却。
2.3 试样加热部分: 试样加热采用氧丙烷火焰喷射器，氧气及丙烷分别配备质量流量计，流量
大小可于触屏手动调节。
2.4 试样冷却部分: 作热冲击试验时，实验机采用压缩空气或喷淋水冷却试样。根据客户实验
需求，试验机可提供水冷、风冷两种冷却方式。
2.5 供气部分： 试验机系统使用三种气体，压缩空气，氧气和丙烷。气体集中经过控制 柜，由流量计控制气体流量。氧气和丙烷可采用气体汇流排供应，可支持 试验机长时间不间断连续实验。
CMAS对热障涂层影响的研究的开题报告
CMAS对热障涂层影响的研究的开题报告
热障涂层是一种用于保护高温部件（如航空发动机、燃气轮机等）
的涂层。
但是，随着使用时间的增长和高温环境下的运行，热障涂层会
出现磨损、剥落等问题，影响其保护作用。
为了解决这一问题，不断研
究热障涂层的耐久性和稳定性显得尤为重要。
CMAS（钙镁铝硅酸盐）是一种高温灰渣，通常由燃料中的杂质和燃烧产物组成。
CMAS在高温环境下与热障涂层发生反应，会导致热障涂层的撕裂、瓦解和降解等问题。
因此，研究CMAS对热障涂层的影响至关
重要。
本论文旨在研究CMAS对热障涂层的影响，具体包括以下内容：
1. 热障涂层的类型和工作原理；
2. CMAS在高温环境下与热障涂层发生反应的机理；
3. 研究方法：选择有代表性的热障涂层材料，并以CMAS的形式进
行侵蚀实验，分析侵蚀前后热障涂层的结构和性能变化；
4. 结果分析：通过分析实验结果，探究CMAS对热障涂层的影响，
以及影响的程度和范围；
5. 结论和展望：总结实验结果，探讨研究的局限和未来的发展方向。
本论文的研究结果可以为热障涂层在高温环境下的应用提供一定的
理论和实践参考，具有一定的科学意义和实用价值。
热障涂层的陶瓷层剥失效机理与长寿命功能层级结构设计
热障涂层的陶瓷层剥失效机理与长寿命功能
层级结构设计
热障涂层是一种用于保护高温工作部件的涂层，主要由金属涂层、陶瓷层和粘合层组成。
其中，陶瓷层作为最外层，承受高温氧化、热应力等多重环境作用，容易发生剥落导致涂层失效。
陶瓷层剥落的主要机理包括：
1.化学侵蚀：高温下，陶瓷层易被氧化物腐蚀，从而破坏涂层结构；
2.热应力：由于涂层与基底材料热膨胀系数不同，温度变化会导致热应力产生，进而引发剥落；
3.机械应力：在机械载荷、车间振动等环境下，陶瓷层易受到应力、扭曲或挤压等机械作用，导致剥落；
4.材料疲劳：长期高温、高应力作用下，涂层材料会发生疲劳变形，从而促进剥落的发生。
为解决热障涂层陶瓷层剥落的问题，可以通过设计长寿命功能层级结构来提高其耐久性。
具体措施如下：
1.改善陶瓷层和粘结层的结构，提高涂层整体力学强度；
2.引入多层结构，增强涂层对热应力、机械应力和氧化腐蚀的抗性；
3.优化材料的组成和配比，增强陶瓷层的抗热氧化能力；
4.优化工艺参数，提高涂层沉积质量和陶瓷层粘结强度。
通过以上措施的优化，可以设计出具有较高耐久性的长寿命功能层级结构热障涂层，为高温工业应用提供保护层。
热障涂层的研究进展
低压等离子喷涂（ Ｌ Ｐ Ｐ Ｓ — Ｔ Ｅ ） 等一些新技术 。
１ ． ３ 热障涂层的失效模式
早期 失效模式有 ：①涂层粘接强度低 ；②工作过
程 中振动应力大 ；③制备操作及装配过程损伤 。随使
用时 间和循环数的退化模式有 ：①粘接 层的氧化 ；②
由于 Ｙ Ｓ Ｚ 低 的热 导率 和相 对较 高 的线胀 系数 ，使 其
目前新 型 陶瓷热障 涂层 材料 的研 究有 两个 主要 热 点方 向。第 一 个方 向是 德 国Ｊ ｕ ｌ ｉ ｃ ｈ 研 究 中心首 先
提 出的稀 土锆酸盐 类材料 Ａ Ｂ ： ０ （ Ａ ＝ Ｌ ａ 、Ｎ ｄ 、Ｓ ｍ、
・ ： 囊层培栩 ｂ ： 拳 眉螭杓 ｃ ： 搏庭耋 骞 构
成的 ，通 常为一致密 的Ａ１ 。 ０， 薄膜 ，在随后的工作过 程 中能够 阻止 外部氧 气 向Ｂ Ｃ层内部和基体 的扩散 ， 起到 保护 基体 （ 零 件） 的作 用 ；④ 陶瓷面 层（ Ｔ Ｃ：Ｔ ｏ ｐ
Ｃ ｏ ａ ｔ ） ，一般为６ ｗ ｔ ％－ －８ ｗ ｔ ％Ｙ２ Ｏ ３ －Ｚ ｒ Ｏ ２ （ Ｙ Ｓ Ｚ ） ，正是
Ｇｄ 、Ｄｙ 、Ｅ ｒ 、Ｙ ｂ 等 稀土 元 素 ，Ｂ ＝ Ｃｅ 、Ｚ ｒ 等） 。 另 外 一个 方 向是 通过 在现 有ＹＳ Ｚ 热障涂 层材 料 中掺杂
图１ 热障涂层结构示意图
作 者 简介 ：张文毓（ １ ９ ８ ２ 一） ，女 ，高级工程师 ，现主要从 事情报研 究工作 。
全面腐蚀控制 第２ ９ 卷第 １ Ｏ 期２ ０ １ ５ 年１ ０ 月
（ ３ ） 激光重熔或溶敷热障涂层 ； （ ４ ） 自蔓延高温合成法（ Ｓ Ｈ Ｓ ） ￣ Ｉ Ｊ 备热障涂层 ； （ ５ ） 基于热喷涂技术制备 的热障涂 层 ；
热障涂层TGO生长机制与涂层失效机制的研究
河北工业大学硕士学位论文i 热障涂层TGO 生长机制与涂层失效机制的研究摘 要本文应用了国际先进的等离子喷涂（APS）设备、国内先进的超音速火焰喷涂设备以及超音速冷气喷射陶瓷颗粒轰击金属过渡层表面工艺制备热障涂层。
依据航空标准制定了高温氧化试验与热震试验方案，利用SEM、XRD 及EDS 等检测手段系统、深入、完善地分析了热障涂层惹生长氧化层TGO 的生长过程，明确揭示了TGO 的生长机制；同时，细致分析了热障涂层的失效过程，并结合TGO 的生长过程与生长机制研究了导致热障涂层失效的影响因素。
为更加深入的研究热障涂层实际服役条件下热生长氧化以及涂层的失效现象打下坚实的基础。
结果表明：金属过渡层的氧化在界面反应机制与元素扩散机制的双重作用下，生成了具有双层结构的热生长氧化层（TGO）。
氧化初期受界面反应机制控制，迅速生成了由Al 2O 3、NiO、尖晶石类氧化物构成的混合氧化物层；而在氧化后期，以界面元素扩散为主导机制下，Al 元素缓慢扩散到界面处氧化生成单一的Al 2O 3层，同时在金属过渡层表面以下形成了一层极薄的贫Al 带。
超音速火焰喷涂以及超音速冷气喷射陶瓷颗粒轰击金属过渡层表面工艺的应用有效改善了热障涂层金属过渡层的表面形貌，抑制了氧化过程中有害氧化物的产生，减少了原始形态与实际应用过程中缺陷的产生，有利于提高热障涂层的使用寿命。
在热障涂层由微裂纹的产生长大，到扩展贯通，再到剥离脱落的整个失效过程中，界面缺陷、界面元素的扩散、Al 2O 3的相变收缩产生的孔洞以及硬脆相尖晶石类氧化物在应力作用下导致的微裂纹，在热障涂层实际应用的环境中都将成为导致涂层最终失效的影响因素。
关键词：热障涂层，等离子喷涂，超音速火焰喷涂，惹生长氧化层，生长机制，失效机制原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。
热障涂层材料制备及失效机理的研究进展
０ 引 言
热 障涂层 （Ｔｈｅｒｍａｌ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｃｏａｔｉｎｇｓ，简 称 ＴＢＣｓ）是为 了进 一 步提 高耐热 合 金材料 （铁基 合 金 、镍基 合金 、钻基 合 金）的使 用温 度而 发展起 来 的涂层技术 ，该涂层具有热传导 系数低 、密度 小 、耐腐蚀 、抗氧化 、强度高等优点ｕ ，被应用于 航空航天 、燃 气发 电等众多领域 。 目前而 言 ，超 强耐热合金材料 的最高工作温度不超过１２００ ｏｆ， 而一些在极端 条件下工作部件 的工作温度远远 超 过 这 个 温 度 ， 。如 燃 气 发 动 机 的 燃 烧 室 和 涡 轮 机 叶片 ，其工作温度可达１６００—２０００ ｏＣ。因此 ，在材 料本 身强度满足条件 的情况下 ，利用热传 导率低 的热 障涂层做为表面层 ，对基体材料 具有隔热保 护 的作 用。２０世纪６０年代 ，热 障涂层在火箭喷嘴 和燃气 轮机上的成功应用 ，把 人们对 热障涂层 的 研究逐渐推向一个高峰 。ＴＢＣｓ不仅可以降低金属
在高温工作下 的温度 ，而且可以对工件起到氧化与 腐蚀保护作用。热障涂层的工作环境较为复杂 ，在 工作过程 中既要受到热冲击载荷 ，又会受到机械载 荷 ，其工作以及非工作状态会使得涂层多次经受冷 热循环 ，涂层容易产生裂纹。在裂纹扩展及机械载 荷的作用下涂层容易剥落 、失效 ，使用寿命降低 。 时效 处理 及 纳米 技术 的发 展赋 予 了涂层 良好 的机械 性能和热力学性能 ，尤其是纳米涂层技术 ，它不仅 提高了硬度和摩擦磨损性能 ，还显著改善了涂层的 韧性 、抗裂纹扩展能力及热稳定性等 ，满足了各种 特殊应用需求 ，因此 引起了人们的极大关注［３－５］。 为满足工作条件对材料的苛刻要求 ，研究开发具有 耐高温氧化 、抗烧结 、隔热性好的热障涂层已成为 迫 切需 要 。
热障涂层失效行为的实验力学方法与技术研究
热障涂层失效行为的实验力学方法与技术研究热障涂层是一个用于保护高温结构材料的关键技术。
但是，由于热障涂层存在着失效行为，如剥落、龟裂等等，这些问题使得该技术被限制在了某些应用领域中。
因此，针对热障涂层失效行为的实验力学方法与技术研究具有重要意义。
本文将介绍一些关于热障涂层失效的实验力学研究。
一、微割 experimental 方法微割是一种高分辨率实验方法，用于研究热障涂层的失效行为。
这种方法通过在热障涂层的表面上制造微小的刻痕并观察其演化过程，以确定涂层的力学性质，并了解其在高温环境下的失效行为。
微割方法可以揭示出涂层的裂纹扩展行为、修复过程和局部塑性行为等信息。
二、扫描电子显微镜（SEM）法SEM 可以用于高分辨率表面形貌分析。
这种方法能够提供有关热障涂层失效表征的信息，如剥落和龟裂等表面和结构缺陷。
通过探测热障涂层表面和剖面的微观形貌，SEM 可以帮助了解热障涂层中深层缺陷的来源、传播和演化机制。
三、X 射线衍射分析法(XRD)XRD 是一种用于确定热障涂层晶体结构和细微结构中的物理性质的无损技术。
利用 XRD 可以检测热障涂层中的应力情况、相变行为、晶体择优定向等信息，并对影响热障涂层使用寿命的重要参数进行分析。
四、微动力学实验法微动力学实验法用于研究热障涂层在高温下的剥落行为，以揭示涂层的失效机制。
在实验中，通过将热障涂层与载荷作用在微观尺度下，可以获得涂层在不同应力状态下的剥落行为。
此外，该方法还可以研究热障涂层在不同温度和环境下的失效行为。
总之，实验力学方法与技术是热障涂层失效行为研究的重要手段。
通过这些实验技术，我们可以揭示热障涂层的失效机理，并为涂层的设计和应用提供指导。
我们相信，随着实验力学技术的不断发展和改进，我们可以更好地理解热障涂层失效行为，并有效地解决这些问题。
热障涂层失效机理,改进方法及未来发展方向
热障涂层失效机理,改进方法及未来发展方向》摘要：热障涂层是一种新型的技术，用于提升热散热性能的一种技术，它可以提高介质流体的导热能力，抑制热传导，降低工作温度，从而提升设备的可靠性和寿命。
然而，由于热障涂层的复杂结构，失效机理比较多，这给设备的可靠性带来了很大的隐患。
本文分析了热障涂层的失效机理，如热收缩、热应力及热磨损等，并介绍了改进方法，如膜厚分布均匀、低温度烧结等，以及未来发展方向如微纳米技术、可控制失效技术及热障涂层设计模拟技术等。
关键词：热障涂层；失效机理；改进方法；未来发展文章内容：一、热障涂层简介热障涂层是一种新型的技术，用于提升热散热性能的一种技术，它可以提高介质流体的导热能力，抑制热传导，降低工作温度，从而提升设备的可靠性和寿命。
热障涂层的基本组成部分是一层外覆有金属或陶瓷耐热涂层的合金膜。
热障涂层厚度一般在1-5μm，其最重要的作用是降低涂覆表面的热传导系数，以及抗热收缩、热拉伸、热腐蚀等性能。
广泛应用于热交换器、催化器、能源转换装备等，改善设备性能，提高设备可靠性和使用寿命。
二、热障涂层失效机理1、热收缩：现有的热障涂层复杂的结构使得其在高温运行时，其差异的收缩情况会形成不同程度的内应力，这些内应力会发生微小的位移，破坏涂层本身的强度性能，最终导致涂层的热老化和剥落。
2、热应力：热应力是涂层不均衡收缩后发生的应力，当涂层收缩时，其表面无法尽可能的协调，从而使涂层发生各种断裂，涂层的厚度分布不均，发生裂纹以及空隙，热应力会使涂层的厚度和表面形态发生改变，形成空腔，涂层的耐热性能也会发生明显的变化。
3、热磨损：热磨损是指热障涂层在高温条件下，表面的组分被氧气化合物所氧化，热磨损会使涂层变薄或破裂，从而影响其耐热性能，并降低涂层的可靠性。
三、热障涂层改进方法1、膜厚分布均匀；2、低温度烧结处理；3、提升膜层中稳定性最好的组分的浓度；4、采用中、短波激光烧结；5、采用等离子喷涂；6、采用超声波或电化学处理；7、添加抗老化增效剂，提高耐热性能。
长寿命热障涂层的剥落机理及抗剥落结构设计
长寿命热障涂层的剥落机理及抗剥落结构设计张 博, 李广荣*, 徐 彤, 杨冠军（西安交通大学 金属材料强度国家重点实验室, 西安 710049）摘要：涂覆于高温合金热端部件表面的热障涂层，具有隔热防护作用，属新一代燃气轮机的关键核心技术。
等离子喷涂制备的热障涂层隔热性能好，但长时间高温服役后存在开裂剥落问题，引发基体烧蚀、造成巨大经济损失。
因此，发展长寿命热障涂层是该技术领域的重大难题。
本文从等离子喷涂热障涂层的独特层状结构特征入手，阐述涂层在高温服役中结构和性能的演变规律，揭示涂层剥落失效机理，总结长寿命热障涂层设计方法。
研究表明，等离子喷涂热障涂层呈现以连通2D 孔隙为主的层状多孔结构，具有优异的隔热功能和协调应变能力。
然而，涂层在高温服役中发生烧结，2D 孔隙大量消失，涂层显著刚化，使热障涂层开裂驱动力急剧增加，引发微观裂纹扩展并贯通形成大尺度裂纹，导致涂层最终剥落失效。
据此，分别从降低开裂驱动力和增加开裂阻力两方面着手，总结抗开裂新结构涂层设计方法，为研发长寿命热障涂层指明了发展方向。
在未来研究中，如何保证涂层高隔热和长寿命并同时兼顾经济性，是发展新一代高性能热障涂层的重点方向。
关键词：热障涂层；等离子喷涂；失效机理；抗开裂设计；长寿命服役doi ：10.11868/j.issn.1005-5053.2021.000130中图分类号：TG174.4 文献标识码：A 文章编号：1005-5053(2022)01-0001-14作为高效洁净能源动力系统的核心装备，燃气轮机用途极为广泛，在电力、舰船和陆地交通等领域都有着不可撼动的地位，代表着制造业的最高技术水平，在国民经济和国家安全中扮演着重要角色，其制造技术已成为衡量一个国家工业水平的重要标志[1]。
高效率、低能耗是燃气轮机不断追求的目标，也是未来绿色发展的重要方向。
据报道，功率300 MW 的中型电厂，其效率每提高1%，预计每年会节省200万美元的燃料成本，降低25000吨的CO 2排放量。
热障涂层失效机制及其清洗技术研究进展
热障涂层失效机制及其清洗技术研究进展郑海忠， 曹新鹏， 耿永祥（南昌航空大学 材料科学与工程学院，南昌 330063）[摘 要]热障涂层（thermal barrier coatings ，简称TBCs ）是提高航空发动机涡轮叶片工作温度的有效途径之一，然而在其使用过程中，由于受到热冲刷、高温腐蚀等因素而使其脱落失效，故而影响了航空发动机的工作效率。
本文首先分析了热障涂层的失效机制，阐明不同失效机制下热障涂层状态，总结了目前失效热障涂层的清除方式，重点探讨了激光清洗在热障涂层中的应用前景及未来发展趋势，为失效热障涂层的去除提供新的技术方案。
[关键词]热障涂层； 失效机制； 激光清洗[中图分类号] TN249 [文献标志码] A doi ：10.3969/j.issn.2096-8566.2021.01.001[文章编号]2096-8566(2021)01-0001-08Research Advance in Failure Mechanism of Thermal BarrierCoatings and Cleaning TechnologyZHENG Hai-zhong ， CAO Xin-peng ， GENG Yong-xiang（School of Materials Science and Engineering, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China ）Abstract : Thermal barrier coating is one of the effective ways to improve the working temperature of aero-engine turbine blades.However, due to thermal erosion, high-temperature corrosion and other factors, failure and falls off often occur during its service,thus affecting the working efficiency of aero-engine. In this paper, the failure mechanisms of thermal barrier coating are firstly analyzed, and the final state of thermal barrier coating under different failure mechanisms are clarified; then the current cleaning methods of thermal barrier coating are summarized; finally, the application prospect and future development trend of laser cleaning in thermal barrier coating are emphatically discussed, which provides a new technical scheme for the removal of thermal barrier coating.Key words: TBCs ； failure mechanism ； laser cleaning引 言航空发动机作为工业皇冠上的明珠，在航空工业发展中占据着举足轻重的地位。
热阻障涂料的研究与制备
热阻障涂料的研究与制备随着科技的不断发展，人们对于材料的性能要求也越来越高。
在高温环境下，许多材料都会发生热变形或热焦化，导致失效。
因此，研究和制备一种能够有效防止热传导和热破坏的涂料成为了当今材料科学领域中的一个热点。
这种涂料被称为热阻障涂料，可用于隔离热源，减少能量的传递和散失。
这种涂料可用于航空航天、制造、电力等许多领域。
热阻障涂料的研究具有重大意义，可以为特种材料和高性能设备提供保护，提高其使用寿命和性能。
下面将介绍热阻障涂料的研究和制备。
一、热阻障涂料的种类及原理热障涂料根据其成分，可分为有机涂料、陶瓷涂料、金属涂料等。
其中，陶瓷涂料的防热性能最为突出，广泛应用于热阻障涂料中。
热阻障涂料的有效防热性能依赖于热障涂层的热阻障机理。
热阻障涂层能够减缓热量的传递速度，使其在表面发生烧结，形成一层呈多孔结构的氧化铝陶瓷层，从而防止高温气体对基体的侵蚀和破坏。
二、热阻障涂料的制备方法目前，热阻障涂层的制备方法主要包括电火花沉积法、等离子喷涂法、流体化床喷涂法、物理气相沉积法等。
其中，等离子喷涂法是一种常用的热阻障涂层制备方法。
1.等离子喷涂法等离子喷涂是一种采用高速离子和高温离子的热源，将材料喷涂在基体上的方法。
它可在常温下喷涂出高熔点的氧化物热障层，具有很好的粘结和强度性能。
该方法的制备过程简单，成本较低。
在实践中已得到广泛的应用。
2.物理气相沉积法物理气相沉积法是一种通过气体相反应，制备出热障层的方法。
该方法可以控制反应的温度和压力，使得制备的热障层具有较高的结晶度和均匀的成分分布。
它的优点是可以制备出非常良好的晶体粒度、致密阳极氧化膜。
三、热阻障涂料的应用与未来发展热阻障涂料的制备和应用，不仅可以提高制造业的效率和安全性，还可以缩短航空器设计和测试周期，并提高企业的竞争力。
因此，在工业和军事应用中的需求将进一步推动热阻障涂层材料的发展和推广。
下一步，热阻障涂料的研究和制备将继续朝着性能优良、成本低廉、高效节能的路线发展。
热障涂层的作用机理
热障涂层的作用机理
热障涂层（TBC）是一种应用于高温工作环境下的金属表面的保
护涂层，其作用机理主要包括热隔离、氧化保护和机械保护。
首先，热障涂层的主要作用是提供热隔离保护。
在高温环境下，TBC可以减缓热量传导到基材上，从而降低基材的温度，保护基材
不受高温热量的影响。
这种热隔离作用有助于提高材料的耐热性能，延长材料的使用寿命。
其次，热障涂层还具有氧化保护的作用。
在高温环境下，金属
表面容易发生氧化，导致材料性能下降甚至失效。
TBC可以形成一
层氧化物的保护层，阻止氧气直接与金属表面接触，减缓金属氧化
的速度，从而保护基材不受氧化的影响。
此外，热障涂层还具有机械保护的作用。
在高温高压环境下，
金属材料容易受到热应力和机械应力的影响，导致材料的疲劳和损伤。
TBC可以形成一层保护膜，减轻外部应力对基材的影响，提高
材料的抗疲劳性能和抗损伤能力。
总的来说，热障涂层的作用机理主要包括热隔离、氧化保护和
机械保护。
通过这些作用机理，热障涂层可以有效保护金属基材在高温环境下的稳定性和耐久性，广泛应用于航空航天、能源、汽车等领域。
EB-PVD在热障涂层中的失效研究分析
EB-PVD TBCs 的 TGO（热生长氧化物）生长失效和 CMAS（钙、镁、铝和硅酸盐）高温侵蚀失
效两种主要机制进行了总结，分析了其失效机制和影响因素，以期为 EB-PVD 在 TBCs 中的
应用提供理论基础。
paper, two main mechanisms of TGO (thermal growth oxides) growth failure and CMAS (calcium,
magnesium, aluminum and silicate) high temperature erosion failure of EB-PVD TBCs were
2.1
TGO 失效机理分析
的迁移以及高温下与环境中的氧气发生化学反应形
成 Al2O3，这是 TGO 的主要组成。粘结涂层中的铝迁
移导致 TGO 和粘结层之间发生一系列复杂的化学反
应，分 3 个阶段进行：
初始阶段：氧元素可以通过陶瓷面层的柱状结构
从环境中进入面层和粘结层之间的界面，从而产生富
氧，足够的氧气会使界面中的铝氧化形成 Al2O3。在这
Key words: thermal barrier coating；EB-PVD；failure；TGO；
CMAS
1
引言
作隔热材料，可降低底层合金的表面温度，以延长部
热 障 涂 层（Thermal barrier coatings，TBCs）的 概
件在高温下的使用寿命，并确保提高涡轮机运行效率
防止热传递到基板材料，保护燃气涡轮机结构载荷免
个阶段，
TGO 层会迅速增长
热障涂层的制备及其失效的研究现状
收稿日期:2009206201; 修订日期:2009206225作者简介:邢亚哲(19762 ),陕西岐山人,讲师,博士.研究方向:材料表面强化及器件制造.Email:x ingyazhe@gm 热障涂层的制备及其失效的研究现状邢亚哲,郝建民(长安大学材料科学与工程学院,陕西西安710064)摘要:热障涂层作为航空发动机和燃气轮机高温部件的保护涂层,其抗高温失效能力直接决定了部件的工作效率和寿命。
回顾热障涂层的发展历史及研究现状,着重介绍了热障涂层的主要制备方法及其相应涂层的结构特征,综述了各类热障涂层失效的影响因素和失效机理。
关键词:热障涂层;电子束物理气相沉积;等离子喷涂;失效机理中图分类号:TG174.44 文献标识码:A 文章编号:100028365(2009)0720922204Re se a rc h Stat us in Fa bric at ion and Fa ilure of The rmal Barrie r Co atingsXING Ya 2zhe,HAO Jian 2min(School of Mater ials Science and Engineering,Chang p an University,Xi p an 710064,China)Abst ract:Thermal barrier coatings are widely used to protect the components in aircraft and industrial gas 2turbine engines against high temperature damage.The e ne rgy efficiency and lifetime of these components are mainly dominated by the failure resistance of thermal barrier coatings in the high te mperature atmosphere.In this paper,the development and research status of thermal barrie r coatings are reviewe d.Especially,the main fabricating methods and the microstructure fe ature of the coatings,as well as the factors re sulting in the failure of thermal barrier coatings and its failure mechanisms,are summarized in detail.K e y words:Thermal barrier coatings;Electron beam physical vapor deposition;Plasma Spraying;Fa ilure mechanism随着现代工业的发展,数以百计种类型的涂层被用在各种结构材料表面,以使这些材料表面免受腐蚀、磨损、侵蚀和高温氧化等危害。
高温蠕变环境中的热障涂层失效行为
收稿日期:2004201212;修订日期:2004205206基金项目:国家自然科学基金(50171003);航空科学基金(03H51025)资助项目文章编号:100026893(2005)0120121204在高温蠕变环境中的热障涂层失效行为高永栓,陈立强,宫声凯,徐惠彬(北京航空航天大学材料科学与工程学院,北京 100083)F ailure B ehavior of Thermal B arrier Coatings in Creep E nvironmentG AO Y ong 2shuan ,CHEN Li 2qiang ,G ON G Sheng 2kai ,XU Hui 2bin(Department of Material Science and Engineering ,Beijing University ofAeronautics and Astronautics ,Beijing 100083,China )摘 要:对电子束物理气相沉积(EB 2PVD )制备的由NiCoCrAl Y 粘结层和YSZ (Yttria Stabilized Z irconia )陶瓷层组成的双层结构热障涂层,采用标准高温蠕变试验方法,研究了在高温、恒定外载荷作用下热障涂层中各层的形貌变化及裂纹的萌生、扩展,并探讨了涂层的失效过程和机理。
垂直于试样轴向的断面观察表明,涂层在外力作用下氧化200h 后层间裂纹非常明显,但几乎不发生在热氧化层(TG O )内,而是发生在陶瓷层与TG O 层、TG O 与粘结层之间,尤其发生在TG O 与陶瓷柱状晶之间的等轴晶处。
这种层间裂纹是在拉伸应力作用下,合金基体和粘结层发生径向收缩,而陶瓷层和TG O 层的应变容限无法满足径向收缩而产生的。
关键词:热障涂层;电子束物理气相沉积;高温蠕变;失效机制中图分类号:V261.93+3;TG 174 文献标识码:AAbstract :High temperature creep testing is carried out to investigate the high temperature fatigue behavior of ce 2ramic thermal barrier coatings (TBCs )prepared by electron beam 2physical vapor deposition (EB 2PVD ).It has been observed that the cracks are mainly formed in the interface between TG O (Thermally Grown Oxidation )layer and the ceramic top coating ,instead of in the TG O layer just often observed during thermal cyclic testing without load 2ing.Such cracks can be considered to be caused by the creep of metallic substrate along loading direction and the shrink in diameter of sample.K ey w ords :TBCs ;EB 2PVD ;TG O ;creep ;failure mechanism 热障涂层技术应用于发动机热端部件上,可以提高涡轮发动机的进口温度TIT (Turbine Inlet Temperature ),延长热端部件的使用寿命。
EB-PVD热障涂层的热循环失效机理FailureMechanismofEB-PVDT..
EB-PVD热障涂层的热循环失效机理Failure Mechanism of EB-PVD Thermal Barrier CoatingSubjected to Thermal Cycling李美女亘]9张重远]9孙晓峰]9宫声凯29胡望宇39管恒荣]9胡壮麒](]中国科学院金属研究所9沈阳]]00]6;2北京航空航天大学9北京]00083;3湖南大学材料科学与工程学院9长沙4]0082) LI Mei-heng]9Z ANG Zhong-yuan]9SUN Xiao-feng]9GONG Sheng-kai29U Wang-yu39GUAN eng-rong]9U Zhuang-gi] (]Institute of Metal Research9Chinese Academy of Sciences9Shenyang]]00]69China;2Beijing University of Aeronautics and Astronautics9Beijing]000839China;3College of Materials Science and Engineering9unan University9Changsha4]0082China;)摘要:采用电子束物理气相沉积方法(EB-PVD)在NiCrAlY粘结层上沉积Y2O3部分稳定的ZrO2陶瓷层,对样品进行了]050 的热循环实验,结果表明9沉积态陶瓷层表面比较致密9其柱状晶粒簇拥成团9晶粒簇间存在间隙,随着热循环不断进行9陶瓷层表面变得疏松9晶粒簇间距增大9相邻较大的间隙互相连接成微裂纹9并逐渐横向及纵向扩展,]050 循环200次9粘结层氧化物是均匀连续的一薄层9主要由Al2O3组成;循环300次后9出现了NiO~尖晶石等氧化物,根据显微结构观察和EDS~XRD分析结果9提出了EB-PVD热障涂层热循环的失效机理,关键词:电子束物理气相沉积;热障涂层;热循环;失效机理中图分类号:TG]74-45]文献标识码:A文章编号:]00]-438](2002)08-0020-04Abstract:Y2O3partially stabilized ZrO2ceramic top coat Was deposited on NiCrAlY bond coat by electron beam physical vapor deposition(EB-PVD).Thermally cyclic test Was performed at ]050 .It is shoWn that the as-deposited ceramic top coat is relatively dense and the columnar grains formed dense clusters.oWever there are gaps or holes among grain clusters.With thermal cycling going on9the gaps among columnar grain clusters become larger.The relatively dense gaps interconnect into one another and form microcracks9Which extend across and through the top coat gradually.After200thermal cycles9the thermally groWn oxides(TGO)formed at the interface of bond coat/ceramic top coat is uniform and consist of Al2O3exclusively.After300cycles some NiO and spinels occur in the TGO.According to the microstructure observation9EDS and XRD analy-sis9the failure mode of EB-PVD thermal barrier coating is put forWard.Key words:electron beam physical vapor deposition;thermal barrier coating;thermal cycling;failure mechanism随着航空发动机进气口温度的不断提高9在发动机叶片上施加热障涂层(TBCs)已成为必需,热障涂层的制备可以通过多种途径实现[]]9但从热障涂层技术的发展及应用来看9涂层的制备技术以等离子喷涂(PS)和电子束物理气相沉积(EB-PVD)两种为主, EB-PVD热障涂层以其开放的柱状晶结构~具有与金属基体良好结合的特性及更高的表面光洁度等9比等离子喷涂热障涂层具有更好的高温环境下的结合力[]-3],本文用磁控溅射方法沉积NiCrAlY粘结层9随后用电子束物理气相沉积方法沉积陶瓷层9观察~分析了热循环过程中热障涂层显微结构的变化和粘结层的氧化9并提出了涂层失效机理,1实验方法用磁控溅射方法在一种镍基单晶高温合金基材表面沉积NiCrAlY粘结层9溅射靶材的名义成分为Ni-30Cr-]2Al-0-3Y9涂层厚约20Mm,样品经]000 / 4h真空热处理后9用电子束物理气相沉积(EB-PVD)方法沉积7%Y2O3(mass fraction)部分稳定的ZrO2陶瓷(YSZ)9陶瓷层厚约40Mm,循环氧化实验在自动循环控制的管式炉中进行9]050 保持4O min在空气中冷却2O min为一个循环O用扫描电镜(SEM D X射线衍射(XRD D及能谱分析(EDS D对样品进行了分析O2实验结果2.l循环氧化过程中的热障涂层的表面形貌从热障涂层的表面形貌(图1D可看到处于沉积态的热障涂层表面比较致密(图1a D柱状晶粒表面端头簇拥成团但晶粒簇间存在间隙(图1b D O1O5OC循环1OO次后晶粒簇间间距增大(图1c D有的已连接成细小的缝也就是通常说的微裂纹;高倍电镜下观察比较致密的晶粒簇中也已出现间隙(或孔洞D(图1d D O循环2OO次后表面变得更疏松晶粒簇间间距进一步增大相邻较大的微裂纹互相连接晶粒簇中的孔洞增多(图1e D O循环3OO次后显微裂纹进一步扩展变得更宽更长并且可观察到一些凸出来的隆起缺陷已被显微裂纹包围和其它晶粒分隔(图1f D O图1热障涂层1O5OC热循环前后表面形貌(SEM D(a D和(b D沿积态;(c D和(d D循环1OO次;(e D循环2OO次;(f D循环3OO次Fig.1Surface SEM images of TBC for(a D and(b D as-deposited(c D and(d D1OO cycles(e D2OO cycles(f D3OO cycles at1O5OC2.2热循环过程中粘结层的氧化热障涂层处于沉积状态时的横截面线扫描结果如图2所示可以看到在粘结层/陶瓷层分界面存在Al含量的峰值似是一薄层的Al2O3膜O在粘结层/陶瓷层分界面附近Al~Zr和Y浓度的变化并不剧烈而是逐渐过渡的很显然Al2O3和陶瓷层相互渗入这种相互渗入会增强ZrO2涂层在粘结层上的粘附性O 图3是热障涂层1O5OC热循环后的横截面SEM 像O中间黑色区域是粘结层氧化产物(thermal growthoxides D(TGO D O循环2OO次后热增长氧化(TGO D层厚约3pm(图3a D EDS分析表明此时TGO主要由Al2O3组成;沿陶瓷层柱状晶界可观察到裂纹这些裂纹垂直于陶瓷层/粘结层分界面;TGO附近的粘结层出现厚约5*6pm的贫铝带O循环3OO次后根据EDS分析TGO仍然主要由Al2O3组成O在TGO图2沉积态热障涂层截面线扫描结果Fig.2Cross-sectional line scanningresults of as-deposited TBCs中观察到含Ni Al的富Cr氧化物可能是Ni(AlCr D2O4或NiCrO4尖晶石O在截面的许多区域观察到比较严重的内氧化粘结层氧化物呈手指状(finger-like D伸入到粘结层内(图3b D G伸入到粘结层内的黑色手指状氧化物以Al2O3为主含有少量Ni(Al Cr D2O4尖晶石G内氧化较严重区域TGO与粘结层分界面附近观察到更多富Ni~Cr等的复杂氧化物G从循环3OO次后的样品取下一部分陶瓷层发现其内表面呈深灰色G XRD分析显示陶瓷内表面主要由NiOO-Al2O3Ni(Al Cr D2O4NiCrO4NiCrO3尖晶石等组成(图4D只显示出很少量的ZrO2G图3热障涂层热循环后横截面SEM像Fig.3Cross-sectional SEM image of TBCs after thermal cycling for(a D2OO cycles and(b D3OO cycles图4l O5OC循环3OO次后热障涂层内表面XRD图谱Fig.4X-ray diffraction pattern of inner surfacefor TBCs after3OO cycles at l O5OC3讨论EB-PVD TBCs陶瓷层具有垂直于基体表面的柱状晶结构[4]柱状晶粒致密簇拥成团但晶粒簇间存在间隙这些间隙允许柱状晶横向伸缩使基体能在相对大的范围内自由膨胀因此起到一种拟延性作用使陶瓷涂层适应基体的膨胀G经热循环后沿柱状晶界观察到垂直于陶瓷层与粘结层分界面的裂纹G 在加热过程中陶瓷层容易受到张应力柱状晶间的显微裂纹很容易产生G若这些显微裂纹不再向内扩展对延长热障涂层的热循环寿命有益因为显微裂纹能释放在陶瓷层所引起的应力减少应力集中G然而当显微裂纹沿柱状晶方向穿透陶瓷层时空气更容易通过这些比较大的裂纹传输加速粘结层的氧化G Bennett[5]报道粘结层的氧化不仅通过ZrO2层格中氧离子的传输而且还可能是氧通过显微裂纹进行气体扩散G尽管显微裂纹有利于热障涂层适应热冲击应力以及热循环过程中由于与粘结层热膨胀系数不同所带来的应变但对抗热腐蚀和抗高温氧化来说要求涂层是不可渗透的G因此粘结层的氧化成为影响热障涂层寿命的主要因素[6]G一般来说粘结层的抗氧化性能越好陶瓷层的抗剥落寿命就越长[7]G另外当粘结层的氧化物以O-Al2O3为主时由于O-Al2O3膜非常致密阻碍氧离子和金属离子的扩散使氧化层长大缓慢其陶瓷层的抗剥落寿命长;当粘结层的氧化产物富Cr~Ni或尖晶石时陶瓷层的抗剥落寿命短G因为后种组成所产生的氧化物较为疏松更容易开裂[8]G本研究的热障涂层在氧化过程中陶瓷层与NiCrAlY粘结层分界面最初形成Al2O3为主的氧化物(TGO D这主要是由于Al对氧的亲和力比粘结层中其它成分强出现Al的选择性氧化[9]G溅射NiCrAlY粘结层晶粒细小(平均晶粒尺寸小于l OO nm D[l O]纳米晶化也可促进O-Al2O3的形成[l l]G O-Al2O3长大缓慢保护性良好G lO5OC循环2OO次后TGO仍然是均匀连续厚约3Mm的一薄层G随着循环氧化的不断进行粘结层中的Al逐渐贫化当粘结层不足以提供完全生成Al2O3氧化膜所需的Al量时层内的Ni~Cr就会氧化形成Ni~Cr氧化物随后形成的Al2O3膜把Ni~Cr氧化物包围其中G当出现穿透陶瓷层的裂纹时氧的向内传输加快随着Al的进一步贫化会发生比较严重的内氧化(如图3b D形成更多的NiO和尖晶石等G由于氧化造成体积增加在涂层分界面很可能产生附加的表面压力此表面压力是涂层剥离的一个重要因素G另外生成大量的NiO和尖晶石会大大降低陶瓷涂层的抗剥落力G lO5OC循环3OO次后尽管出现的单斜相ZrO2数量很少[12]但所引起的相变应力对陶瓷层的抗剥落也产生一定的影响,热循环实验结果表明EB-PVD热障涂层退化主要发生在粘结层与陶瓷层间的TGO,根据显微结构观察和EDS~XRD分析结果提出涂层失效机理如下:显微裂纹最初沿陶瓷层柱状晶界形成随后扩展到整个陶瓷层;显微裂纹的扩展加速氧离子的传输随着热循环的继续进行粘结层发生比较严重的内氧化由于Al的贫化在TGO与粘结层分界面附近出现大量的NiO或Ni(Al Cr D2O4尖晶石等复杂的氧化产物进而TGO体积迅速增加导致应力增加;氧化物长大应力和陶瓷层的相变应力会削弱陶瓷层与粘结层间的粘附性引起热障涂层失效,因NiO~尖晶石等氧化产物出现在TGO与粘结层分界面附近导致陶瓷层的剥落将发生在TGO中或TGO与粘结层分界面,4结论(1D用EB-PVD方法沉积的陶瓷层表面比较致密与基材和粘结层相垂直的柱状晶粒间存在间隙使陶瓷层能适应基体的自由膨胀,在陶瓷层与粘结层分界面存在一薄层O-Al2O3膜可增强陶瓷层与粘结层之间的粘附性,(2D在热循环过程中显微裂纹最初沿陶瓷柱状晶界形成随着热循环的继续进行裂纹逐渐横向及纵向扩展导致粘结层氧化加剧,(3D粘结层氧化物最初主要由O-Al2O3组成,随着粘结层中Al不断贫化出现NiO~尖晶石等氧化物从而引起应力增大削弱陶瓷层与粘结层的粘附性加速陶瓷层剥落,致谢感谢金涛研究员提供单晶高温合金感谢楼翰一研究员为制备NiCrAlY涂层给予热情的指导和帮助,参考文献[1]R A Miller.Current status of thermal barrier coatings-anoverview[J].Surf Coat Technol1987 30:1-11.[2]R A Miller.Thermal barrier coatings for aircraft engines:histo-ry and directions[J].J Thermal Spray Tech1997 6(1D:35 -42.[3]A S James and A Matthews.Developments in R F Plasma-assist-ed physical vapor deposition partially yittria-stablized zirconia thermal barrier coatings[J].Surf Coat Tech1990 43/44:436 -445.[4]李美女亘张重远孙晓峰胡望宇管恒荣.一种热障涂层的形貌和相结构特征研究[J].材料导报2001;15(1D:71-73.[5]A Bennett.Properties of thermal barrier coatings[J].Mater SciTechnol1986 2(3D:257-261.[6]T N Rhys-Jones.Coatings for blade and vane applications in gasturbines[J].Corros Sci1989 29:623-646.[7]K~G Schmitt-Thoma U Dierl.Thermal barrier coating withimproved oxidation resistance[J].Surf Coat Technol1994 68/69:113-115.[8]E Y Lee R R Biedrman R D Sisson.Diffusional interactionsand reactions between a partially stabilized zirconia thermal bar-rier coating and the NiCrAlY bond coat[J].Mater Sci Eng1989 A121:467-473.[9]S Stecura.Two-layer thermal barrier coatings I:effects of com-position and temperature on oxidation behavior and failure.Stephan Stecura[J].Thin Solid Films1989 182:121. [10]李美女亘.一种单晶高温合金NiCrAlY/ZrO2热障涂层的氧化行为[D].湖南大学硕士学位论文2000:16.[11]F wang.The effect of nanocrystallization on the selective oxi-dation and adhesion of Al2O3scales[J].Oxide Metals199748:215-224.[12]李美女亘孙晓峰张重远等.EB-PVD热障涂层热循环过程中粘结层氧化和相结构研究[J].金属学报2002 38(1D:79-83.收稿日期:2001-09-05;修订日期:2002-01-30作者简介:李美女亘(1969-D女博士研究生主要研究方向:高温腐蚀与防护联系地址:沈阳市文化路72号中科院金属所6室(110016D,. %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% (上接第19页D参考文献[1]F V Lenel.Powder Metalluurgy Principles and Application[M]Plenum Press N.Y.-Ltd1980.483-493[2]邓海金白新桂李明等.金属基体及合金元素对金属陶瓷性能的影响[J] 机械科学与技术1997 16(11D增刊:81-84.[3] M费多尔钦科等著.现代摩擦材料[M].徐润泽等译北京:冶金工业出版社1983.128.[4]涂江平孟亮刘茂森.粉末冶金Cu-Fe复合材料的摩擦磨损行为[J].摩擦学学报1999 19(9D209-213.[5]北京航空材料研究所.航空材料学[M].上海:上海科学技术出版社1985.468-469.基金项目:国家科技部九五重点科技攻关专题(96-A08-04-03D 收稿日期:2001-09-25;修订日期:2002-03-30作者简介:钟志刚(1969-D男硕士工程师主要研究方向为复合材料联系地址:北京81信箱26分箱(100095D,.。
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(1) 发现了热障涂层剥落发生于飞机服役后停机过程的新机制，极大地打破了科学界关于失效发生于服役过程的常识。基于热力环境下体系的应力场分析，得出长时间蠕变、氧化与热失配机制下涂层及界面的压应力将使得涂层发生屈曲失效，为这一机制的理解给出了理论解释。进一步提出了界面热力屈曲断裂的理论与实验方法，观察并阐明了剥落于卸载的现象与物理机制，为理解热障涂层剥落的科学本质提供指导与方向。两篇代表论文他引93次，并作为重要章节录入《Progress in Gas Turbine Performance》、《Encyclopedia of Thermal Stresses》等专著。
推荐国家自然科学奖项目公示
项目名称热障涂层破坏机来自及实验表征方法研究推荐单位
湖南省科学技术厅
推荐单位意见：
我单位认真阅读了该项目推荐书及附件材料，确认全部材料真实有效，有关栏目均符合国家科学技术奖励工作办公室的填写要求。
作为提升服役温度最切实可行的办法，热障涂层已成为世界各国航空发动机必不可少的隔热防护材料，但涂层剥落是制约其发展与应用的瓶颈，开展极其复杂服役环境下、极其复杂热障涂层体系的破坏机理及实验表征方法研究，是国家重大需求急需解决的关键问题，也是固体力学研究领域的巨大挑战，具有重要的科学与工程意义。
(2)发现了裂纹模式只依赖于应变能释放频率的新现象，以此为依据建立了高温服役环境下热障涂层裂纹萌生与扩展的声发射实时表征方法。进一步建立了热力载荷作用下涂层开裂、界面剥离的断裂力学模型，阐明了热/力/氧化及多场耦合下热障涂层微结构演变的规律与机制，建立了热力环境下热障涂层关键损伤的破坏机制图，为涂层服役寿命取决于界面裂纹的机制提供实验依据。这方面的成果受到热障涂层领域M. Watanabe、. Ramana等著名学者的重点引用。
(3)美国麻省理工学院Mostafa A. El-Sayed教授在论文ACS Appl. Mater. Interfaces, 2011,3(4):952中引用我们的代表性论文3成功解释了用CVD法在钛基底上制备薄膜的失效问题[30]”。【附件2-3】
(4)中国科学院上海硅酸盐研究所丁传贤院士课题组论文Thermal Spray Technol.
客观评价：
1.国家计划项目验收结论书【附件6-1】
2010 年12 月，本项目任务来源之一的国家基金委杰出青年基金项目“新型材料的力学问题”通过国家基金委组织的验收，验收专家组组长为我国力学领域著名专家、西安电子科技大学校长郑晓静院士，方岱宁、亢一澜、魏悦广、王铁军等力学专家为核心组员，验收成绩为优秀。主要成果包括：发展了涂层薄膜体系界面结合性能表征的理论模型；对热障涂层的破坏机制进行了系统研究等等。
(1) 法国里昂中央理工学院的D. Treheux教授在论文Surf. Coat. Technol. 2004, 187: 185-193中对代表性论文1给予了正面的评价：“关于TBCs的热疲劳的综述性文章很多，但是几乎没有用声发射的方法去表征TBCs的热疲劳失效[14]”,美国德克萨斯大学的A.Muliana教授更给予了极高的评价：“Zhou等人是少有的研究功能梯度材料高温蠕变残余应力效应的学者之一”。【附件2-1】
(7) 美国布朗大学Sheldon教授在论文Acta Mater. 2004, 52: 3507-3517中引用了我们代表作7残余应力的表征模型，并将其结果与我们的结果进行对比，引文指出“Zhou et al. [32] performed similar experiments on thePZT/Si system.In these works, the crack length dataand residual stresses are reported.......”。【附件2-7】
(5) 美国缅因大学的. Jin教授在论文Surf. Coat. Technol. 2008, 202: 4189-4197中高度认可了代表性论文5，并大篇幅引用我们的结果与其进行比较，其数值结果很好的与我们的实验结果吻合，引文指出：“Zhou et al. [35] experimentally studiedfracture behavior of FGM coatings (ZrO2/NiCrAlY system) aswell as conventional homogeneous coatings. They observedthat macroscopic, multiple surface cracks first formed in thethickness direction of the coatings when subjected to mechanicalor thermal shock loads….......The numerical results ofpresent study agree qualitatively with these experimentalobservations”。【附件2-5】
2015,19:911-920，引用了我们关于声发射断裂分析的8篇文章(包括代表论文4)达17处，引文指出：“The wavelet transformation technique is successful for analyzing the transient AE signal in order to further understand the dynamic failure behavior of as-sprayed TBCs”。【附件2-4】
上述成果在IJP、IJSS等国际力学权威刊物发表论文81篇，他引798次，8篇代表性论文他引281次，其中SCI他引228次；包括美国NASA的. Zhu，日本东京工业大学K.Kishlmoto、德国于利希能源研究中心J. Malzbender等热障涂层领域10余个课题组，以及. Ramana、方岱宁、王铁军、魏悦广等院士与著名学者正面引用与积极评价。发动机领域刘大响院士、李应红院士，力学领域方岱宁院士等鉴定专家组认为：成果整体技术达到国际先进水平，在界面力学性能表征、声发射高温实时检测方面达到国际领先水平，且在型号发动机热障涂层研产中发挥了重要作用。
(2)希腊佩特雷大学N.K. Anifantis教授在其论文ComputStruct, 2005, 83(4–5):303中高度评价了代表性论文2，指出：“研究热载荷下二维块体结构裂纹闭合的情况时，由于裂纹面接触问题是一个高度非线性问题，Zhou等人不仅考虑了热载荷引起的裂纹面闭合问题，而且还推导出相应的解析解[16]，是非常少有的工作。”【附件2-2】
2.获奖情况【附件6-2】
2014年，本项目相关成果“热障涂层破坏机制及实验表征方法研究”获湖南省自然科学奖一等奖。
3.成果鉴定【附件6-3】
2015年9月，湖南省经信委组织了鉴定专家组对项目所涉及到的性能表征方法与实时检测技术进行了鉴定，由我国发动机著名专家刘大响院士、李应红院士，力学领域著名专家方岱宁院士，中国南方动力机械研究所所钟滨涛副总师，国防科技大学唐国金教授，北京航空航天大学郭洪波教授，中航工业南方航空工业(集团)有限公司汪云程首席专家组成的鉴定专家组认为：该技术成果为国内首创，整体技术达到国际先进水平，在界面力学性能表征、声发射高温实时检测方面达到国际领先水平。
4.国际同行评价意见【附件2-1至2-8】
项目研究成果得到了国内外热障涂层领域十多个课题组的高度评价与引用，包括美国NASA的S. R. Choi、D. M. Zhu教授课题组，英国帝国理工学院G. Ptaszek教授组，美国得克萨斯州大学. Ramana教授组，德国布伦瑞克工业大学Martin Bäker教授组，日本东京工业大学的K.Kishlmoto教授组，德国Forschungszentrum Jülich GmbH中心的Jürgen Malzbender教授课题组，中国科学院力学研究所魏悦广研究员，西安交通大学王铁军教授课题组，广州有色金属研究院周克崧院士课题组，上海硅酸盐研究所丁传贤院士课题组等等。
该成果由湘潭大学独立完成，针对我国航空发动机热障涂层的重大需求、涂层剥落瓶颈突出的问题，1999年开始最早在国内从材料和力学交叉的角度，系统、深入地开展热障涂层破坏机制、优劣评价指标与实验表征方法的研究，且始终坚持与工程实际紧密结合，解决涂层剥落这一工程问题后的重大科学问题，并服务于工程，取得系列有影响力的创新成果：(1)发现并阐明了“热障涂层剥落发生于飞机服役后的停机阶段”这一破坏机制，极大地打破了科学界关于失效发生于服役过程的常识；(2)发现了失效模式只依赖于应力波信号频率的新现象，揭示出热障涂层服役寿命决定于界面裂纹扩展模式与速率的机制；(3)系统建立了我国热障涂层试车前性能、损伤与机制检测、分析的方法、模型与试验平台，解决了定量评价涂层性能与损伤的关键与科学问题，突破了国际热障涂层试验装置对我国的封锁，为我国热障涂层的工艺改进、破坏预报与安全应用提供重要指导，保障了多种型号航空发动机热障涂层的研制、生产与应用。
(6)韩国首尔汉阳大学教授等人先后在其系列论文Scripta Mater., 2011, 65(4):300、J. Mater. Res., 2011, 27(1):3、Int. J. Plasticity, 2013, 41(0):53，反复引用我们代表作6的结果、分析模型和观点，来解释他们实验中有关纳米尺度下金属材料压痕尺度效应及变形机理。【附件2-6】
对照国家自然科学奖授奖条件，推荐该项目申报2017年度国家自然科学奖二等奖。
项目简介：
本领域属于固体力学和材料学交叉的研究领域。