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前沿科學(xué)難題：熱障涂層破壞理論與評價(jià)技術(shù)

2021-09-16 16:26:55 作者：周益春楊麗朱旺來源：科學(xué)出版社分享至：

航空發(fā)動機(jī)是飛機(jī)的“心臟”，國之重器，是國家核心競爭力的重要標(biāo)志之一。三代、四代航空發(fā)動機(jī)渦輪前進(jìn)口溫度均超過高溫金屬材料的熔點(diǎn)。一代材料，一代裝置，作為提升燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)服役溫度最切實(shí)可行的技術(shù)，熱障涂層已成為航空發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)高壓渦輪葉片等熱端部件必不可少的熱防護(hù)材料，極大程度上決定了發(fā)動機(jī)的性能與發(fā)展水平。世界各航空強(qiáng)國均在重大推進(jìn)計(jì)劃中把熱障涂層列為核心關(guān)鍵技術(shù)，我國也已經(jīng)把熱障涂層列為兩機(jī)迫切需求的關(guān)鍵技術(shù)。

▲ 熱障涂層渦輪葉片及熱障涂層系統(tǒng)的橫截面圖

服役在發(fā)動機(jī)渦輪葉片等熱端部件的熱障涂層，長時(shí)間處于近馬赫數(shù)、2000K燃?xì)獾臎_擊，1 萬～5 萬轉(zhuǎn)/分旋轉(zhuǎn)離心力，疲勞、蠕變、CMAS 腐蝕、顆粒沖蝕、氧化等并伴隨化學(xué)反應(yīng)的極端環(huán)境下。極端惡劣環(huán)境致使涂層以多種復(fù)雜的機(jī)制剝落失效，這給破壞理論的研究帶來許多新的挑戰(zhàn)。例如，熱障涂層界面氧化失效問題中的氧化反應(yīng)、熱失配與生長應(yīng)力、高溫等會彼此影響，氧化過程及其誘導(dǎo)的涂層剝落既是一個典型的熱力化耦合物理非線性問題，同時(shí)又是一個應(yīng)變可高達(dá)10%的幾何非線性問題。又如，高溫下熱障涂層的高溫熔融物（鈣鎂鋁硅氧化物，簡稱CMAS）腐蝕，其滲透規(guī)律、性能演變規(guī)律、熱力化耦合機(jī)制，都是熱障涂層表現(xiàn)出的新的破壞現(xiàn)象，迄今人們對這一現(xiàn)象的力學(xué)本質(zhì)還認(rèn)識不足。

▲ CMAS 導(dǎo)致YSZ 涂層剝落的示意圖

渦輪葉片幾何形狀復(fù)雜（含缺陷、多層體系的熱障涂層微結(jié)構(gòu)），且服役時(shí)涂層和界面的成分、微結(jié)構(gòu)及性能都會演變，且物理和幾何都是非線性的特性給力學(xué)性能表征、數(shù)值模擬技術(shù)都帶來了新的問題。此外，高溫是熱障涂層不可避免的服役環(huán)境，如何實(shí)現(xiàn)高溫下涂層性能的表征，如何準(zhǔn)確描述高溫復(fù)雜環(huán)境的載荷條件，都是熱障涂層破壞分析需要考慮的問題。

▲ 熱障涂層CMAS 腐蝕不同失效模式隨時(shí)間的分布

性能評價(jià)與服役壽命預(yù)測是熱障涂層應(yīng)用部門最迫切的需求，服役壽命與材料、服役環(huán)境參數(shù)的關(guān)聯(lián)則是熱障涂層生產(chǎn)部門最直接的依據(jù)，也是破壞機(jī)制研究的最終目標(biāo)，更是這一領(lǐng)域最為棘手的前沿科學(xué)難題。此外，模擬考核裝置能提供最可信、直接的實(shí)驗(yàn)依據(jù)，是熱障涂層破壞機(jī)制分析、評價(jià)技術(shù)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)與重點(diǎn)，也是各國封鎖點(diǎn)。

因此，熱障涂層剝落破壞的理論、數(shù)值計(jì)算方法、力學(xué)性能表征、性能與服役壽命評價(jià)，以及試車前的模擬考核裝置，都是熱障涂層破壞機(jī)制與性能評價(jià)研究需要研究的內(nèi)容。

▲ 熱力化的耦合問題

固體力學(xué)為熱障涂層破壞機(jī)制的研究提供了理論體系與研究手段，但熱障涂層極其復(fù)雜的服役環(huán)境、幾何形狀、微結(jié)構(gòu)及其演變規(guī)律也給固體力學(xué)提出了巨大的挑戰(zhàn)。

《熱障涂層破壞理論與評價(jià)技術(shù)》（周益春，楊麗，朱旺著。北京：科學(xué)出版社，2021.3）針對熱障涂層剝落失效對固體力學(xué)的迫切需求與諸多挑戰(zhàn)，基于作者近二十年的研究積累，融入國內(nèi)外同仁在這一領(lǐng)域的研究成果，從基礎(chǔ)理論、性能表征、性能評價(jià)三個方面闡述熱障涂層破壞理論與評價(jià)技術(shù)。為滿足科研人員和應(yīng)用技術(shù)人員的不同需求，本書注重“科學(xué)”（基礎(chǔ)理論）與“工程”（工程應(yīng)用）的結(jié)合，并依據(jù)“理論-方法”-裝置“的研究主線，將整書內(nèi)容分為三篇。

如在第一篇的破壞理論方面，本書介紹了熱力化耦合本構(gòu)關(guān)系的基礎(chǔ)理論與構(gòu)建框架，同時(shí)詳細(xì)介紹了熱障涂層界面氧化、CMAS 腐蝕熱力化耦合失效的具體模型、氧化與腐蝕規(guī)律和機(jī)制，為從事熱障涂層及相關(guān)領(lǐng)域熱力化耦合理論的學(xué)習(xí)與科研提供基礎(chǔ)，同時(shí)也為熱障涂層工藝與應(yīng)用的相關(guān)技術(shù)人員了解氧化、腐蝕機(jī)制提供科學(xué)依據(jù)。

▲ 靜態(tài)模擬裝置的整體設(shè)計(jì)效果

在第二篇性能表征與第三篇評價(jià)技術(shù)方面，本書針對熱障涂層對固體力學(xué)現(xiàn)有表征方法與試驗(yàn)裝置提出的挑戰(zhàn)，強(qiáng)調(diào)從”理論模型—測試方法—試驗(yàn)裝置“的系統(tǒng)層次進(jìn)行介紹、分析和總結(jié)，科研人員可以以此進(jìn)行新的思考和研究，應(yīng)用技術(shù)人員也可以直接應(yīng)用這些技術(shù)開展熱障涂層的表征與評價(jià)工作。

▲ 熱力化耦合試驗(yàn)與測試裝置的工作原理

本書分為三篇，共15 章。

第一篇即第1～6 章，介紹熱障涂層的破壞理論，其中第1 章和第2 章分別介紹熱力化耦合的理論框架和非線性有限元理論，第3～6 章分別介紹熱障涂層界面氧化、CMAS 腐蝕、沖蝕熱力化耦合的破壞理論與機(jī)制。

第二篇即第7～12 章，介紹熱障涂層性能與損傷的表征技術(shù)，第7～9 章凝練熱障涂層基本力學(xué)性能、斷裂韌性、殘余應(yīng)力的各種先進(jìn)表征方法，第 10～12章介紹裂紋、界面氧化、應(yīng)力應(yīng)變場等關(guān)鍵損傷參量的無損實(shí)時(shí)表征方法，

第三篇即第13～15 章，介紹熱障涂層性能評價(jià)技術(shù)，包括隔熱與強(qiáng)度綜合效果的評價(jià)、可靠性與服役壽命的評價(jià)以及模擬考核方法與試驗(yàn)平臺方面的進(jìn)展。

▲ 熱障涂層高溫拉伸過程應(yīng)變實(shí)時(shí)原位測量裝置示意圖

作者希望通過系統(tǒng)的理論、方法以及試驗(yàn)平臺及相關(guān)測試技術(shù)等研究成果的詳細(xì)介紹，幫助讀者對熱障涂層的剝落失效及研究方法有一個較為全面的認(rèn)識，同時(shí)可以以此為基礎(chǔ)開展相關(guān)研究工作，促進(jìn)熱障涂層在我國航空發(fā)動機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)（簡稱”兩機(jī)“）上的安全應(yīng)用與可持續(xù)發(fā)展。

該書第一作者周益春教授是”國家自然科學(xué)基金杰出青年科學(xué)基金“和”國家級教學(xué)名師“獲得者；第二作者楊麗教授是”教育部青年長江學(xué)者“和”中組部‘萬人計(jì)劃’青年拔尖人才“；第三作者朱旺副教授是”湖南省自然科學(xué)優(yōu)秀青年基金“獲得者和湖南省優(yōu)秀博士論文獲得者。周益春教授從1999 年開始帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，在2 項(xiàng)國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目、1 項(xiàng)國家自然科學(xué)基金杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目、1 項(xiàng)國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、1 項(xiàng)裝置發(fā)展部”十三五“裝置預(yù)研領(lǐng)域基金重點(diǎn)項(xiàng)目、2 項(xiàng)國防技術(shù)基礎(chǔ)科研項(xiàng)目以及中國航空發(fā)動機(jī)集團(tuán)相關(guān)單位委托的多個項(xiàng)目的長期資助下，二十余年致力于熱障涂層破壞理論與評價(jià)技術(shù)方面的研究。因此，該書凝結(jié)了周益春教授及其團(tuán)隊(duì)的系列創(chuàng)新成果。該書的出版將有利于我國熱障涂層的安全應(yīng)用與發(fā)展，也將為我國建成航空強(qiáng)國做出重要貢獻(xiàn)。

劉大響

2020 年11 月16 日

本文摘編自《熱障涂層破壞理論與評價(jià)技術(shù)》（周益春，楊麗，朱旺著。北京：科學(xué)出版社，2021.3）一書”序“”緒論“，有刪減，標(biāo)題為編者所加。

ISBN 978-7-03-068280-2

責(zé)任編輯：劉鳳娟趙穎

熱障涂層是先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片等高溫部件的關(guān)鍵熱防護(hù)材料，涂層剝落是巨大的瓶頸，極其復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)、服役環(huán)境與失效行為，給涂層剝落分析的力學(xué)理論、實(shí)驗(yàn)方法與試驗(yàn)平臺帶來諸多挑戰(zhàn)。本書圍繞熱力化耦合理論、性能表征與考核評估闡述了熱障涂層破壞理論與評估技術(shù)。該書是作者及其團(tuán)隊(duì)的系列研究成果，也包括國際國內(nèi)最新研究成果的評述。本書不僅適用于熱障涂層及相關(guān)領(lǐng)域的科研人員，同時(shí)也適用于熱障涂層研究領(lǐng)域工程技術(shù)人員，還適合于材料、力學(xué)、機(jī)械、檢測等領(lǐng)域的博士、碩士研究生及高年級本科生參考。

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