熱障涂層是先進航空發動機及燃氣輪機高溫部件的關鍵防護系統，其直面高溫燃氣的沖刷，發揮降低金屬構件表面溫度的作用。有研究表明，由于熱障涂層的應用，發動機初溫可提高100℃以上。熱障涂層-基體系統由于熱不匹配和熱生長氧化層生長應力的作用導致涂層提前失效，使得渦輪葉片服役壽命縮短。因此，有必要對熱障涂層的高溫退化行為開展多因素影響規律研究，建立綜合考慮幾何特征與材料退化的壽命預測模型。
近日，中國科學院工程熱物理研究所開展了陶瓷層服役過程中斷裂韌性、彈性模量/厚度、界面形貌的演化規律研究，分析了不同噴涂部位曲率、熱載荷等因素對熱障涂層服役壽命的影響，通過引入涂層剩余強度因子，構建綜合幾何特征與材料退化的壽命模型，來提升熱障涂層壽命預測精度。
熱暴露中斷試驗發現，圓管類試樣失效模式為端部裂紋萌生，受到熱應力和生長應力驅動向另一端擴展，形成縱向貫穿裂紋，導致陶瓷層剝落。研究表明，由于氣膜孔應力集中，裂紋擴展路徑受到影響，逐漸向孔的部位偏轉。熱生長氧化層厚度、陶瓷層彈性模量、硬度及斷裂韌性的演化規律表明，除斷裂韌性外，其余均表現為冪函數生長方式。而斷裂韌性受到材料高溫性能退化的影響，呈現出不斷下降的趨勢。熱生長氧化層厚度在熱暴露條件下對曲率不敏感，圓片試樣的熱生長氧化層厚度主要受溫度影響。
上述研究通過歸納涂層退化試驗規律，結合數值仿真結果，構建出涂層剩余強度因子，并基于涂層剩余強度因子實現對熱障涂層更準確的壽命預測。
相關研究成果發表在Journal of Engineering for Gas Turbines and Power上。研究工作得到中國科學院相關項目的支持。
熱障涂層界面SEM圖