前沿科学难题：热障涂层破坏理论与评价技术

2021-09-16 16:26:55 作者：周益春杨丽朱旺来源：科学出版社分享至：

航空发动机是飞机的“心脏”，国之重器，是国家核心竞争力的重要标志之一。三代、四代航空发动机涡轮前进口温度均超过高温金属材料的熔点。一代材料，一代装置，作为提升燃气涡轮发动机服役温度最切实可行的技术，热障涂层已成为航空发动机、燃气轮机高压涡轮叶片等热端部件必不可少的热防护材料，极大程度上决定了发动机的性能与发展水平。世界各航空强国均在重大推进计划中把热障涂层列为核心关键技术，我国也已经把热障涂层列为两机迫切需求的关键技术。

▲ 热障涂层涡轮叶片及热障涂层系统的横截面图

服役在发动机涡轮叶片等热端部件的热障涂层，长时间处于近马赫数、2000K燃气的冲击，1 万～5 万转/分旋转离心力，疲劳、蠕变、CMAS 腐蚀、颗粒冲蚀、氧化等并伴随化学反应的极端环境下。极端恶劣环境致使涂层以多种复杂的机制剥落失效，这给破坏理论的研究带来许多新的挑战。例如，热障涂层界面氧化失效问题中的氧化反应、热失配与生长应力、高温等会彼此影响，氧化过程及其诱导的涂层剥落既是一个典型的热力化耦合物理非线性问题，同时又是一个应变可高达10%的几何非线性问题。又如，高温下热障涂层的高温熔融物（钙镁铝硅氧化物，简称CMAS）腐蚀，其渗透规律、性能演变规律、热力化耦合机制，都是热障涂层表现出的新的破坏现象，迄今人们对这一现象的力学本质还认识不足。

▲ CMAS 导致YSZ 涂层剥落的示意图

涡轮叶片几何形状复杂（含缺陷、多层体系的热障涂层微结构），且服役时涂层和界面的成分、微结构及性能都会演变，且物理和几何都是非线性的特性给力学性能表征、数值模拟技术都带来了新的问题。此外，高温是热障涂层不可避免的服役环境，如何实现高温下涂层性能的表征，如何准确描述高温复杂环境的载荷条件，都是热障涂层破坏分析需要考虑的问题。

▲ 热障涂层CMAS 腐蚀不同失效模式随时间的分布

性能评价与服役寿命预测是热障涂层应用部门最迫切的需求，服役寿命与材料、服役环境参数的关联则是热障涂层生产部门最直接的依据，也是破坏机制研究的最终目标，更是这一领域最为棘手的前沿科学难题。此外，模拟考核装置能提供最可信、直接的实验依据，是热障涂层破坏机制分析、评价技术研究领域的热点与重点，也是各国封锁点。

因此，热障涂层剥落破坏的理论、数值计算方法、力学性能表征、性能与服役寿命评价，以及试车前的模拟考核装置，都是热障涂层破坏机制与性能评价研究需要研究的内容。

▲ 热力化的耦合问题

固体力学为热障涂层破坏机制的研究提供了理论体系与研究手段，但热障涂层极其复杂的服役环境、几何形状、微结构及其演变规律也给固体力学提出了巨大的挑战。

《热障涂层破坏理论与评价技术》（周益春，杨丽，朱旺著。北京：科学出版社，2021.3）针对热障涂层剥落失效对固体力学的迫切需求与诸多挑战，基于作者近二十年的研究积累，融入国内外同仁在这一领域的研究成果，从基础理论、性能表征、性能评价三个方面阐述热障涂层破坏理论与评价技术。为满足科研人员和应用技术人员的不同需求，本书注重“科学”（基础理论）与“工程”（工程应用）的结合，并依据“理论-方法”-装置“的研究主线，将整书内容分为三篇。

如在第一篇的破坏理论方面，本书介绍了热力化耦合本构关系的基础理论与构建框架，同时详细介绍了热障涂层界面氧化、CMAS 腐蚀热力化耦合失效的具体模型、氧化与腐蚀规律和机制，为从事热障涂层及相关领域热力化耦合理论的学习与科研提供基础，同时也为热障涂层工艺与应用的相关技术人员了解氧化、腐蚀机制提供科学依据。

▲ 静态模拟装置的整体设计效果

在第二篇性能表征与第三篇评价技术方面，本书针对热障涂层对固体力学现有表征方法与试验装置提出的挑战，强调从”理论模型—测试方法—试验装置“的系统层次进行介绍、分析和总结，科研人员可以以此进行新的思考和研究，应用技术人员也可以直接应用这些技术开展热障涂层的表征与评价工作。

▲ 热力化耦合试验与测试装置的工作原理

本书分为三篇，共15 章。

第一篇即第1～6 章，介绍热障涂层的破坏理论，其中第1 章和第2 章分别介绍热力化耦合的理论框架和非线性有限元理论，第3～6 章分别介绍热障涂层界面氧化、CMAS 腐蚀、冲蚀热力化耦合的破坏理论与机制。

第二篇即第7～12 章，介绍热障涂层性能与损伤的表征技术，第7～9 章凝练热障涂层基本力学性能、断裂韧性、残余应力的各种先进表征方法，第 10～12章介绍裂纹、界面氧化、应力应变场等关键损伤参量的无损实时表征方法，

第三篇即第13～15 章，介绍热障涂层性能评价技术，包括隔热与强度综合效果的评价、可靠性与服役寿命的评价以及模拟考核方法与试验平台方面的进展。

▲ 热障涂层高温拉伸过程应变实时原位测量装置示意图

作者希望通过系统的理论、方法以及试验平台及相关测试技术等研究成果的详细介绍，帮助读者对热障涂层的剥落失效及研究方法有一个较为全面的认识，同时可以以此为基础开展相关研究工作，促进热障涂层在我国航空发动机和燃气轮机（简称”两机“）上的安全应用与可持续发展。

该书第一作者周益春教授是”国家自然科学基金杰出青年科学基金“和”国家级教学名师“获得者；第二作者杨丽教授是”教育部青年长江学者“和”中组部‘万人计划’青年拔尖人才“；第三作者朱旺副教授是”湖南省自然科学优秀青年基金“获得者和湖南省优秀博士论文获得者。周益春教授从1999 年开始带领团队，在2 项国家自然科学基金重大项目、1 项国家自然科学基金杰出青年科学基金项目、1 项国家自然科学基金重点项目、1 项装置发展部”十三五“装置预研领域基金重点项目、2 项国防技术基础科研项目以及中国航空发动机集团相关单位委托的多个项目的长期资助下，二十余年致力于热障涂层破坏理论与评价技术方面的研究。因此，该书凝结了周益春教授及其团队的系列创新成果。该书的出版将有利于我国热障涂层的安全应用与发展，也将为我国建成航空强国做出重要贡献。

刘大响

2020 年11 月16 日

本文摘编自《热障涂层破坏理论与评价技术》（周益春，杨丽，朱旺著。北京：科学出版社，2021.3）一书”序“”绪论“，有删减，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-068280-2

责任编辑：刘凤娟赵颖

热障涂层是先进航空发动机涡轮叶片等高温部件的关键热防护材料，涂层剥落是巨大的瓶颈，极其复杂的微结构、服役环境与失效行为，给涂层剥落分析的力学理论、实验方法与试验平台带来诸多挑战。本书围绕热力化耦合理论、性能表征与考核评估阐述了热障涂层破坏理论与评估技术。该书是作者及其团队的系列研究成果，也包括国际国内最新研究成果的评述。本书不仅适用于热障涂层及相关领域的科研人员，同时也适用于热障涂层研究领域工程技术人员，还适合于材料、力学、机械、检测等领域的博士、硕士研究生及高年级本科生参考。

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