熱障陶瓷層特性及分析模型研究

李峰勛+李振哲

摘 要： 熱障陶瓷系統廣泛應用于渦輪發動機，用于保護熱端部件，從而提高渦輪發動機熱效率。本文首先研究了熱障陶瓷系統特性，分析了影響因素。然后，介紹了不同的熱障陶瓷系統方針模型，并分析了各自特點。

關鍵詞： 渦輪發動機；熱障陶瓷系統；熱生長氧化層

本課題研究由國家自然科學基金（項目編號：51401100）、浙江省自然科學基金（項目編號：LY16E050006）、溫州市科技計劃項目（項目編號：G20150010）資助。

1. 引言

隨著對航空飛機性能要求的不斷提高，對航空渦輪發動機的要求也越來越高。其中提升渦輪發動機的工作溫度是提高效率的最直接有效的方法，這就需要機械部件具有優良的抗高溫性能。研發新型抗高溫材料不僅需要很多人力物力，而且研發周期長。取而代之， 熱障陶瓷系統 （Thermal Barrier Coating System； TBCs）和冷卻孔技術就應用到了渦輪發動機高溫運轉的葉片的設計中。這兩種技術在渦輪發動機的應用，保護了渦輪的機械部件，提高了部件的使用壽命和發動機的工作效率。

航空飛機的渦輪發動機是以高溫高壓下燃料燃燒的能量為推進力，發動機部件尤其是暴露在高溫的機械部件的抗熱性能會直接影響到發動機的效率和壽命。為保護金屬葉片，TBC廣泛應用于航空機引擎或渦輪發動機[1]， TBC具有足夠的厚度可以承受發動機工作時的高溫和由發動機反復啟動而引起的溫度變化，不僅提高了機械部件的耐用度而且由于工作溫度的升高提升了發動機的熱效率。熱障陶瓷系統TBCs由以下四層組成：（i）熱障陶瓷層TBC， （ii）耐高溫合金，（iii）用于粘合合金和TBC的粘合層（Bond Coat；BC）， （iv）TBC和BC界面形成的熱生長氧化層（Thermally Grown Oxide； TGO）。雖然TGO對合金金屬有熱屏蔽的作用，但也可以導致TBCs的失效。

TBC的失效主要由TGO引起，而TGO的失效主要由內部應力的累積造成。TGO的內部應力由TGO和BC的不同的熱膨脹系數（Coefficient of Thermal Expansion； CTE）[2， 3]及高溫中由TGO界面方向生長而引起的應力[4]。TGO的厚度僅為幾微米，是高溫中BC的鋁離子和空氣中的氧離子結合而成的氧化鋁。氧化鋁是陶瓷類材料，而BC的熱膨脹系數和金屬的熱膨脹系數相似，這樣TGO和BC的熱膨脹系數相差兩倍。在反復加熱和冷卻過程中TGO和其他層界面方向的應力高達3～6GPa。高溫中生長的TGO為圓柱形形狀，它的生長不僅有TGO厚度方向，而且在柱形TGO之間的界面之間也有TGO的生長。因為TGO在界面方向的生長類似于TGO的單獨膨脹，而TGO是夾在TBC和BC中間的夾層，所以TGO的膨脹對TBC和BC有拉伸作用，對TGO自身是壓縮作用。所以本項目中最為關注的也是冷卻孔周圍TGO的變形。

關于冷卻孔的研究很多學者的研究都是著重于冷卻孔周圍的熱傳導，但是渦輪發動機在運轉過程中不僅受熱疲勞，而且還有葉片高速旋轉所導致的向心力，作用在冷卻孔周圍的向心力會產生應力集中現象，導致TBC的失效和冷卻孔周圍裂紋，冷卻孔的變形和裂紋的出現可以直接引發葉片的失效乃至發動機的損傷，因此有必要對熱和機械疲勞條件下冷卻孔的變形進行分析和研究。

本文首先研究了熱障陶瓷系統特性，分析了影響因素。然后，介紹了不同的熱障陶瓷系統方針模型，并分析了各自特點。

2. 熱障陶瓷系統特性

熱生長氧化層和熱障陶瓷層用于保護高溫金屬基體使其減輕熱腐蝕。總而言之，它可以降低渦輪發動機里面熱端部件的溫度。渦輪發動機里面的構件承受著高溫使用環境和常溫之間的周期性反復溫度變化。這種工作環境導致熱障陶瓷系統承受周期性熱-機械耦合負載，因此使熱生長氧化層承受周期性的拉應力和壓應力。結果導致由分離、變形等多因素誘發的熱障陶瓷系統的失效 [3， 4]。

3. 熱障陶瓷系統分析模型

如圖1所示，Hsueh等人[5] 推薦了由熱生長氧化層、粘合層、熱障陶瓷層構成的三同心圓模型，分析了由熱生長氧化層的生長而導致的熱生長氧化層和粘合層、熱生長氧化層和熱障陶瓷層界面上的應力變化。如圖2所示Karlsson等人[6] 研究了由熱生長氧化層和粘合層構成的球殼模型，并分析了在熱循環條件下的熱生長氧化層的變形。結果表明，隨著熱周期的增加，表面缺陷附近的熱生長氧化層的應變變得更大。Karlsson等人比較了理論模型與基于有限元法的數值模型。為了分析熱-機械耦合負載的影響，Li等人[7]研究了熱-機械耦合負載下的理論和數值模型，為渦輪發動機用熱障陶瓷系統的設計奠定了科學基礎。

4. 結論

本文首先介紹了熱障陶瓷系統，并對其構造做了一些介紹。同時，還討論了熱障陶瓷系統仿真模型，并分析了仿真模型的各自特點。本文所討論內容將對提高熱障陶瓷系統性能提出建設性意見。

參考文獻

[1] 劉純波，林鋒， and 蔣顯亮， "熱障涂層的研究現狀與發展趨勢". 中國有色金屬學報， 2007， Vol.17（1）， p.1-13.

[2] 胡濤濤， et al.， "界面形貌對熱障涂層殘余應力分布的影響". 材料開發與應用， 2012， p.32-35.

[3] 白玉梅， et al.， "熱障涂層熱不匹配殘余應力的分析研究". 科學技術與工程， 2011， Vol.11（14）， p.3126-2129.

[4] 高永栓， et al.， "在高溫蠕變環境中的熱障涂層失效行為". 航空學報， 2005， Vol.26（1）， p.121-124.

[5] Hsueh， C. H. and Fuller Jr， E. R.， “Analytical modeling of oxide thickness effects on residual stresses in thermal barrier coatings，” Scripta mater.， Vol. 42， No. pp. 781-787， 2000.

[6] Karlsson， A. M.， Hutchinson， J. W. and Evans， A. G.， “A fundamental model of cyclic instabilities in thermal barrier systems，” J. Mech. Phys. Solids， Vol. 50， No. pp. 1565-1589， 2002

[7] Li， F. X. and Kang， K. J.， “Deformation and cracking near a hole in an oxide forming alloy foil subjected thermal cycling，” Acta Mater.， Vol. 61， No. pp. 385-398， 2013.endprint