熱障涂層破壞理論與評價技術

目錄
序
緒論 1
0.1 熱障涂層及其制備方法 2
0.1.1 熱障涂層材料與結構 2
0.1.2 熱障涂層制備方法 4
0.2 熱障涂層剝落失效及其主要因素 7
0.2.1 熱障涂層服役環(huán)境 7
0.2.2 熱障涂層剝落失效及其主要因素 8
0.3 熱障涂層失效對固體力學的需求與挑戰(zhàn) 11
0.3.1 熱障涂層失效對固體力學的需求 11
0.3.2 熱障涂層失效對固體力學的挑戰(zhàn) 13
0.4 內容概述 17
參考文獻 18
第一篇 熱障涂層破壞理論
第1章 熱障涂層熱力化耦合的基本理論框架 25
1.1 連續(xù)介質力學 25
1.2 基于小變形的熱力化耦合理論框架 27
1.2.1 基于小變形的應變與應力度量 27
1.2.2 基于小變形的應力應變本構關系 40
1.2.3 基于小變形的熱力耦合本構理論 44
1.2.4 基于小變形的熱力化耦合本構理論 51
1.3 基于大變形的熱力化耦合理論框架 56
1.3.1 運動學描述 56
1.3.2 應力應變度量 59
1.3.3 質量守恒方程與力平衡方程 61
1.3.4 基于大變形的熱力耦合本構理論 65
1.3.5 基于大變形的熱力化耦合本構理論 69
1.4 總結與展望 78
參考文獻 80
第2章 渦輪葉片熱障涂層非線性有限元 82
2.1 有限元分析原理 82
2.1.1 泛函變分原理 83
2.1.2 Eulerian格式的弱形式 86
2.1.3 Eulerian格式的有限元離散 88
2.1.4 Lagrangian格式弱形式 91
2.1.5 Lagrangian格式有限元離散 93
2.1.6 自適應網(wǎng)格弱形式 95
2.1.7 初始條件和邊界條件 98
2.2 渦輪葉片熱障涂層有限元建模 99
2.2.1 渦輪葉片幾何特征 99
2.2.2 渦輪葉片參數(shù)化建模 101
2.3 渦輪葉片網(wǎng)格劃分 111
2.3.1 非結構化網(wǎng)格劃分 111
2.3.2 渦輪葉片結構化網(wǎng)格 115
2.4 圖像有限元建模 118
2.4.1 圖像有限元方法 119
2.4.2 二維TGO界面模型建立方法 121
2.4.3 多孔陶瓷層建模方法 123
2.4.4 三維TGO界面模型建立方法 125
2.5 總結與展望 126
參考文獻 126
第3章 熱障涂層界面氧化的幾何非線性理論 129
3.1 界面氧化現(xiàn)象及失效 129
3.1.1 界面氧化特征及規(guī)律 129
3.1.2 界面氧化誘導的應力場 132
3.1.3 界面氧化誘導涂層的剝落 135
3.2 基于擴散反應的TGO生長模型 136
3.2.1 控制方程 136
3.2.2 有限元模擬 141
3.3 熱障涂層界面氧化的熱力化耦合解析模型 150
3.3.1 界面氧化熱力化耦合生長解析模型 150
3.3.2 界面氧化熱力化耦合生長本構關系 161
3.3.3 界面氧化熱力化耦合生長規(guī)律與機制分析 176
3.4 總結與展望 184
參考文獻 184
第4章 熱障涂層界面氧化物理非線性的耦合生長與破壞 188
4.1 熱障涂層界面氧化的物理非線性熱力化耦合生長模型 188
4.1.1 模型框架 188
4.1.2 數(shù)值實施 195
4.1.3 結果和討論 197
4.1.4 界面氧化耦合解析模型 204
4.1.5 與實驗結果的對比 206
4.2 內聚力模型和相場模型一體化的界面氧化失效理論 210
4.2.1 內聚力模型和相場模型一體化的模型框架 210
4.2.2 相場模型簡介 211
4.2.3 相場裂紋相互作用的內聚力模型簡介 214
4.2.4 數(shù)值實施 218
4.2.5 結果和討論 220
4.3 總結與展望 227
4.3.1 總結 227
4.3.2 展望 228
參考文獻 228
第5章 熱障涂層CMAS腐蝕的熱力化耦合理論 232
5.1 熔融CMAS的滲透及其關鍵影響因素的關聯(lián)分析 232
5.1.1 EB-PVD熱障涂層熔融CMAS滲入深度的理論模型 232
5.1.2 EB-PVD熱障涂層中熔融CMAS滲入深度及影響因素實驗 241
5.1.3 EB-PVD熱障涂層CMAS滲入深度及影響因素 243
5.1.4 APS熱障涂層中CMAS熔融物的滲透 250
5.2 受腐蝕涂層的微結構演變、變形與成分流失 254
5.2.1 涂層微觀結構演變與變形 254
5.2.2 CMAS滲透與腐蝕熱障涂層的熱力化耦合理論 260
5.2.3 CMAS腐蝕熱障涂層Y元素分布規(guī)律的定量表征 266
5.3 CMAS腐蝕涂層過程中相結構表征與相場理論 274
5.3.1 涂層相結構演變的XRD表征 274
5.3.2 涂層微觀結構演變的透射電鏡表征 275
5.3.3 降溫過程受腐蝕涂層的熱力化耦合相變理論 277
5.4 總結與展望 284
參考文獻 285
第6章 熱障涂層的沖蝕失效機理 289
6.1 熱障涂層的沖蝕失效現(xiàn)象 289
6.1.1 熱障涂層失效現(xiàn)象 289
6.1.2 熱障涂層沖蝕率 290
6.1.3 各種涂層沖蝕性能的比較 290
6.1.4 熱障涂層沖蝕性能的一般規(guī)律 291
6.2 典型熱障涂層的沖蝕失效模式 293
6.2.1 EB-PVD熱障涂層的沖蝕失效模式 293
6.2.2 APS熱障涂層的沖蝕失效模式 295
6.2.3 PS-PVD熱障涂層的沖蝕失效模式 296
6.2.4 熱障涂層的CMAS沖蝕失效 297
6.2.5 影響熱障涂層沖蝕性能的因素 298
6.3 熱障涂層沖蝕參數(shù)關聯(lián)的數(shù)值模擬 300
6.3.1 量綱分析理論 300
6.3.2 熱障涂層沖蝕的量綱分析 301
6.3.3 沖蝕參數(shù)關聯(lián)的數(shù)值模擬分析 304
6.4 考慮微結構影響的沖蝕失效行為分析 308
6.4.1 真實微結構EB-PVD熱障涂層的數(shù)值模型 308
6.4.2 考慮微結構的屈服條件 309
6.4.3 沖蝕過程中各種參數(shù)的關聯(lián)分析 310
6.4.4 典型沖蝕失效模式的分析 312
6.5 熱障涂層沖蝕失效機理與抗力指標 318
6.5.1 EB-PVD熱障涂層的沖蝕抗力指標 318
6.5.2 APS熱障涂層的沖蝕抗力指標 321
6.6 熱障涂層的沖蝕失效機制圖 322
6.6.1 從理論角度建立破壞機制圖 323
6.6.2 從數(shù)值模擬出發(fā)建立某一失效模式的破壞機制圖 326
6.7 總結與展望 330
6.7.1 總結 330
6.7.2 展望 330
參考文獻 330
第二篇 熱障涂層表征技術
第7章 熱障涂層基本力學性能及其表征 337
7.1 EB-PVD熱障涂層彈性行為的原位測量 337
7.1.1 基于數(shù)字圖像相關技術的微彎曲試驗 338
7.1.2 實驗和數(shù)值模擬結果分析 341
7.1.3 影響彈性模量測量精度的因素 344
7.2 熱障涂層力學性能的微結構與時空相關性 345
7.2.1 高速納米壓痕映射技術表征微結構與時空相關性原理 345
7.2.2 高速納米壓痕映射和反卷積技術 347
7.2.3 黏結層和陶瓷涂層快速納米壓痕力學性能表征 349
7.2.4 基于反卷積法表征熱障涂層微觀結構相分布 353
7.3 熱障涂層的蠕變性能 356
7.3.1 EB-PVD熱障涂層材料的高溫蠕變特性 356
7.3.2 TGO在拉應力作用下的蠕變行為 359
7.3.3 熱障涂層蠕變行為對界面應力的影響 362
7.4 總結與展望 364
7.4.1 總結 364
7.4.2 展望 365
參考文獻 365
第8章 熱障涂層斷裂韌性的表征 368
8.1 熱障涂層表面斷裂韌性的表征 368
8.1.1 斷裂韌性的定義 368
8.1.2 不帶基底熱障涂層表面斷裂韌性的單邊切口梁法表征 369
8.1.3 熱障涂層表面斷裂韌性的三點彎曲-聲發(fā)射結合法表征 374
8.2 熱障涂層界面斷裂韌性的常規(guī)表征方法 380
8.2.1 熱障涂層界面斷裂韌性表征的理論模型 380
8.2.2 熱障涂層界面斷裂韌性的三點彎曲法表征 382
8.3 熱障涂層表界面斷裂韌性的壓痕法表征 384
8.3.1 熱障涂層表面斷裂韌性的壓痕法表征 384
8.3.2 熱障涂層界面斷裂韌性的壓痕法表征 386
8.4 熱障涂層界面斷裂韌性的屈曲法表征 388
8.4.1 熱障涂層界面斷裂韌性的屈曲實驗 388
8.4.2 熱障涂層界面斷裂韌性的屈曲有限元模擬 393
8.4.3 熱障涂層界面斷裂韌性的屈曲表征的理論模型 398
8.5 熱障涂層界面斷裂韌性的鼓包法表征 402
8.6 高溫下熱障涂層斷裂韌性的原位表征 410
8.6.1 高溫下熱障涂層表面斷裂韌性的壓痕法表征 410
8.6.2 高溫下熱障涂層斷裂韌性的三點彎曲法表征 413
8.7 總結與展望 421
8.7.1 總結 421
8.7.2 展望 421
參考文獻 422
第9章 熱障涂層殘余應力的表征 427
9.1 熱障涂層殘余應力的產生 427
9.1.1 熱障涂層殘余應力產生的原因 427
9.1.2 熱障涂層殘余應力的影響因素 428
9.2 熱障涂層殘余應力的模擬與預測 431
9.2.1 熱障涂層渦輪葉片應力場演化及危險區(qū)域預測 432
9.2.2 流固耦合的熱障涂層渦輪葉片應力場 436
9.3 熱障涂層殘余應力的有損表征 451
9.3.1 曲率法表征 451
9.3.2 鉆孔法表征 454
9.3.3 環(huán)芯法表征 461
9.4 熱障涂層殘余應力的無損表征 466
9.4.1 X射線衍射法表征 466
9.4.2 拉曼光譜法表征 472
9.4.3 TGO層內殘余應力的PLPS法表征 475
9.5 總結與展望 481
9.5.1 總結 481
9.5.2 展望 481
參考文獻 481
第10章 熱障涂層裂紋的聲發(fā)射實時表征 487
10.1 高溫聲發(fā)射檢測方法 487
10.1.1 聲發(fā)射檢測基本原理 487
10.1.2 高溫復雜環(huán)境的波導絲傳輸技術 488
10.1.3 基于區(qū)域信號選擇的聲發(fā)射信號檢測方法 490
10.2 裂紋模式識別的關鍵參數(shù)分析 491
10.2.1 熱障涂層關鍵失效模式及其聲發(fā)射信號時域特征 491
10.2.2 基于特征頻率的熱障涂層失效模式識別 493
10.2.3 基于聚類分析的模式識別特征參數(shù)提取 495
10.3 基于小波與神經網(wǎng)絡的裂紋模式智能識別方法 502
10.3.1 小波變換的基本原理與方法 503
10.3.2 熱障涂層損傷聲發(fā)射信