摘要: 航空发动机在高速、高压、高温等复杂环境下服役时，通过高压空气与热障涂层（TBCs）的共同作用，降低了热端部件的服役温度，提升航空发动机的工作效率。目前，TBCs向着超高温、低热导率、长寿命的方向发展。然而，残余应力的存在严重限制TBCs使用寿... 展开 航空发动机在高速、高压、高温等复杂环境下服役时，通过高压空气与热障涂层（TBCs）的共同作用，降低了热端部件的服役温度，提升航空发动机的工作效率。目前，TBCs向着超高温、低热导率、长寿命的方向发展。然而，残余应力的存在严重限制TBCs使用寿命。TBCs在制备过程时，内部积累了大量的残余应力。同时，在高温氧化过程中，TBCs内部又产生残余应力。内部与外部因素的相互作用，使得TBCs提前剥落。因此，研究喷涂过程及高温氧化过程的残余应力分布，对延长TBCs使用寿命显得尤为迫切。此外，通过实验无法预测TBCs残余应力的分布状态，而有限元计算可以进行有效地预测，并通过无损检测进行验证。 本文以航空发动机导叶用热障涂层为研究对象，在高温合金（GH3128）表面建立TBCs逐层逐道沉积模型，运用有限元计算分析了氧化钇稳定氧化锆（Y2O3-ZrO2，YSZ）涂层的弹性模量、热膨胀系数、厚度、界面形态对TBCs沉积过程中应力场分布的影响。高温氧化时，粘结层（BC）中Ni、Co、Cr、Al、Y等金属元素与氧气反应形成热生长氧化物(TGO)，部分氧化物形貌为“孤岛状”，主要成分为Cr2O3，其随机分布于BC/YSZ界面附近。为分析TGO对TBCs内部残余应力分布的影响，系统研究了TGO的厚度、成分和形貌变化。 利用有限元模拟计算陶瓷层（YSZ）弹性模量（43～83GPa）对喷涂态TBCs残余应力分布的影响，残余拉应力随着YSZ弹性模量的增加而变大，最大拉应力为37MPa，导致TBCs的分层失效。此外，五种不同热膨胀系数结果表明，随着YSZ热膨胀系数（α=7.3～11.3×10?6℃?1）的增加，残余应力缓慢减小，a=11.3×10?6℃?1时，残余应力为23MPa。五种不同YSZ厚度的结果表明，BC/YSZ界面的残余拉应力随YSZ厚度的增加而缓慢变大，当x=0.3mm时，TBCs残余应力最小为18MPa。为了更接近实际喷涂过程，考虑了界面形貌对BC/YSZ界面附近应力分布的影响。较大的振幅和较小的波长导致裂纹的早期萌生，在剪应力的作用下，涂层在BC/YSZ界面发生剥落。同时，优化后的喷涂实验结果证明了热障涂层BC/YSZ界面残余应力为拉应力，最大值为155MPa，与有限元计算结果吻合。 高温氧化结果表明，随着Cr2O3厚度的增加，TGO厚度随之变大，TGO/YSZ界面主要为残余压应力，最大值为-1000MPa。随着Cr2O3（x%）含量的增加，TGO的生长速率加快，当Cr2O3（x%）达到临界值时，较大拉应力使得横向裂纹沿TGO/YSZ界面扩展并引起涂层开裂，加速涂层失效。陶瓷层内随机分布“孤岛状”Cr2O3有利于减轻TGO/YSZ界面波峰处的压应力。同时，“块状”Cr2O3会加速TBCs的破坏，当它出现在粘结层内部时，可以有效地减小拉应力集中。考虑陶瓷层中出现“孤岛状”Cr2O3时，最大拉压应力随着Cr2O3（x%）含量的增加而增大，Cr2O3（x%）含量为2.0wt%时，最大压应力为-1232MPa。 本文系统地分析了等离子喷涂过程及高温氧化对热障涂层残余应力影响，为航空发动机导叶用TBCs的应力演变提供了一定的参考价值。等离子喷涂时，YSZ弹性模量不应超过83GPa。同时，热膨胀系数应高于11.3×10?6℃?1，YSZ最佳厚度为0.3mm。此外，在1150℃高温氧化时，为了降低陶瓷层内部“孤岛状”Cr2O3含量，氧化时间不宜超过95h。 收起