熱障涂層裂紋擴(kuò)展的數(shù)值模擬研究進(jìn)展

胡忠超，王 亮，莊銘翔，張桓瑜，李廣書，王 鈾, 楊 勇

(1. 河北工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130)(2. 中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所 集成計(jì)算材料研究中心，上海 201899)(3．哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

1 前 言

燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)是國(guó)家科技核心競(jìng)爭(zhēng)力的重要體現(xiàn)，而現(xiàn)代先進(jìn)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)則需要獲得較高的渦輪前端燃?xì)膺M(jìn)口溫度。高壓渦輪葉片是發(fā)動(dòng)機(jī)中的核心部件，也是制約發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵短板。隨著服役溫度的提高，復(fù)雜的工作環(huán)境會(huì)大大降低發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。熱障涂層(thermal barrier coatings, TBCs)具有優(yōu)異的隔熱性、抗高溫氧化、耐腐蝕性，可以有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，延長(zhǎng)渦輪葉片的使用壽命，在燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和其他高溫?zé)岱雷o(hù)方面有重要作用[1-3]。熱障涂層通常由金屬粘結(jié)層和陶瓷層組成，粘結(jié)層通常由MCrAlY(其中M=Ni和/或Co)組成，陶瓷層通常由8YSZ(ZrO2-8% Y2O3，質(zhì)量分?jǐn)?shù))組成。眾所周知，熱障涂層的耐久性受其微觀結(jié)構(gòu)的控制，當(dāng)外部使用條件不變時(shí)，微結(jié)構(gòu)將成為提高TBCs抗熱震性能的首要因素。使用不同的制備工藝，TBCs可以獲得不同的微觀結(jié)構(gòu)，大氣等離子噴涂(APS)制備的TBCs具有典型的層狀結(jié)構(gòu)特征，如圖1所示，陶瓷涂層表面隨機(jī)分布微孔和微裂紋，使得APS-TBCs通常具有良好的隔熱性能[4]。而電子束物理氣相沉積(EB-PVD)制備的TBCs具有典型的柱狀晶粒特征，相鄰的柱狀晶粒相互傾斜，這種熱障涂層通常具有較高的應(yīng)變耐受性，有利于提高其抗熱震性能[5-8]，然而，熱沖擊冷卻過程中，殘余應(yīng)力的存在易使裂紋萌生并沿著界面擴(kuò)展，孔隙的存在可以有效地降低裂紋傳播概率，延長(zhǎng)涂層使用壽命。等離子物理氣相沉積(PS-PVD)制備的TBCs具有典型羽毛狀結(jié)構(gòu)，裂紋易在涂層界面間形成連續(xù)的裂紋網(wǎng)格，并沿著涂層界面擴(kuò)展。采用不同工藝制備的TBCs將表現(xiàn)出不同微觀結(jié)構(gòu)特征，即使采用相同的制備方法，不同的工藝參數(shù)下制備的TBCs微觀結(jié)構(gòu)也會(huì)不同。

圖1 TBCs內(nèi)部的層狀界面[4]Fig.1 Several laminar interface at the inner of the TBCs[4]

隨著渦輪葉片熱端部件工作溫度的提高，對(duì)渦輪葉片表面TBCs的性能要求越來越高，TBCs在表面熱防護(hù)方面發(fā)揮更重要的作用[9-11]。由于TBCs通常應(yīng)用于極端服役環(huán)境，早期的涂層剝落現(xiàn)象不可避免，同時(shí)，受高溫高壓等復(fù)雜環(huán)境影響，使得涂層內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生不可控的變化。因此，在實(shí)際使用條件下，制備高性能的TBCs顯得尤為重要。利用實(shí)驗(yàn)方法制備出性能優(yōu)良的TBCs是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，未知因素很多，需要進(jìn)一步探索和長(zhǎng)期堅(jiān)持。通過有限元數(shù)值模擬計(jì)算可以幫助預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)室的制備工藝和涂層結(jié)構(gòu)，節(jié)省研究時(shí)間和成本，提高研究效率。計(jì)算模擬方法可以幫助在特定的目標(biāo)條件下找到優(yōu)化的工藝和涂層結(jié)構(gòu)[12]。在設(shè)計(jì)出性能優(yōu)異的TBCs之前，必須了解各種TBCs的微觀結(jié)構(gòu)、不規(guī)則的缺陷(孔隙和微裂紋)特征以及相關(guān)的制造技術(shù)。等離子噴涂熱障涂層(APS-TBCs)的噴涂過程中噴槍的運(yùn)動(dòng)過程如圖2所示，圖中顯示了噴涂態(tài)TBCs的微觀結(jié)構(gòu)示意圖，TBCs中的微孔和微裂紋是隨機(jī)分布在涂層內(nèi)部的[13]。溫度場(chǎng)和殘余應(yīng)力的分布，對(duì)TBCs在實(shí)際使用條件下的裂紋產(chǎn)生具有重要影響。大量研究表明[14-18]，熱應(yīng)力和氧化層生長(zhǎng)會(huì)驅(qū)動(dòng)微裂紋與界面形成復(fù)雜的相互作用，從而導(dǎo)致涂層界面因裂紋而失效。有限元法可以非常有效地計(jì)算TBCs的溫度場(chǎng)分布[19-21]，熱應(yīng)力的大小通常可以通過模擬溫度場(chǎng)的分布直接計(jì)算。殘余應(yīng)力對(duì)TBCs裂紋產(chǎn)生也有較大影響，它會(huì)影響噴涂后TBCs的失效模式和壽命。已有文獻(xiàn)報(bào)道了TBCs在不同使用條件下的殘余應(yīng)力分布[22]，并用有限元法計(jì)算了不同類型TBCs的殘余應(yīng)力。

圖2 噴槍在x-y平面內(nèi)移動(dòng)一個(gè)周期的軌跡示意圖和噴涂涂層的微觀結(jié)構(gòu)[13]Fig.2 Raster pattern in the x-y plane for one cycle of gun movement and the microstructure of the as-sprayed coating[13]

TBCs會(huì)在制備過程中產(chǎn)生殘余應(yīng)力，此外，熱沖擊、高溫氧化、粒子損傷(FOD)、CMAS(CaO-MgO-Al2O3-SiO2)腐蝕等條件下產(chǎn)生的殘余應(yīng)力也不可忽略。通過中子衍射、X射線衍射、顯微拉曼技術(shù)、微位移激光傳感器法等無損探測(cè)技術(shù)(表1)[23-27]，結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可以測(cè)量TBCs的殘余應(yīng)力大小，預(yù)測(cè)裂紋可能萌生的位置，驗(yàn)證涂層內(nèi)部裂紋長(zhǎng)度、密度等幾何參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的準(zhǔn)確影響規(guī)律，從而為涂層制備工藝優(yōu)化提供技術(shù)上的可能性。以往的研究大多只考慮定向放置裂紋對(duì)熱生長(zhǎng)氧化物(thermally grown oxide, TGO)內(nèi)部和涂層邊緣的應(yīng)力分布影響[27, 28]。事實(shí)上，噴涂態(tài)TBCs陶瓷層中隨機(jī)分布的許多裂紋對(duì)TBCs的失效也有重要影響，而制備后留下的固有裂紋和陶瓷層(TC)中新產(chǎn)生的裂紋是影響噴涂態(tài)TBCs失效不可忽視的因素，因?yàn)檫@些裂紋會(huì)改變熱流和氧傳遞的路徑，特別是表面活性氧會(huì)沿垂直裂紋擴(kuò)散并加速到達(dá)涂層/粘結(jié)層界面，與粘結(jié)層(BC)中的Ni，Co，Cr，Al等金屬元素發(fā)生反應(yīng)，形成內(nèi)部氧化物，進(jìn)一步加速TGO層的形成和生長(zhǎng)。

表1 TBCs的無損檢測(cè)方法[23-27]Table 1 Non-destructive detection method of TBCs[23-27]

另一方面，裂紋會(huì)降低應(yīng)力水平，而貫通橫向裂紋將成為TBCs的失效根源。TBCs在高溫服役過程中的失效是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程，具有高度的非線性。由于TBCs組織演變不規(guī)則、化學(xué)成分復(fù)雜、外部條件惡劣，其失效模式和壽命難以預(yù)測(cè)。陶瓷層中的微裂紋對(duì)APS-TBCs的熱性能和力學(xué)性能起著重要的控制作用，已有研究表明，這些裂紋對(duì)噴涂態(tài)TBCs的隔熱性能有較大的影響[17, 18]。針對(duì)TBCs的失效和過早剝落，本文將系統(tǒng)地研究裂紋的形態(tài)、位置及裂紋密度對(duì)涂層應(yīng)力分布的影響，此外還將使用斷裂力學(xué)計(jì)算方法討論裂紋擴(kuò)展對(duì)涂層應(yīng)力分布的影響，最后對(duì)TBCs中的動(dòng)態(tài)裂紋檢測(cè)方法研究進(jìn)展進(jìn)行綜述研究，為制備高性能、長(zhǎng)壽命的熱障涂層提供理論指導(dǎo)。

2 裂紋對(duì)涂層應(yīng)力分布的研究

裂紋在涂層內(nèi)部的萌生、擴(kuò)展將影響TBCs的失效機(jī)制。因此，本節(jié)將系統(tǒng)地研究裂紋的形態(tài)、裂紋位置及裂紋密度對(duì)涂層應(yīng)力分布的影響。

2.1 裂紋形態(tài)對(duì)涂層應(yīng)力分布的影響

一般來說，TBCs中分布著兩種不同類型的裂紋：水平裂紋和垂直裂紋，且噴涂態(tài)TBCs中的裂紋是隨機(jī)分布的。在有限元模擬中，通常不考慮與界面方向或噴射方向有一定取向的裂紋。分段裂紋通常被稱為垂直裂紋，分布在涂層表層(陶瓷層)的內(nèi)部，當(dāng)分段裂紋的長(zhǎng)度超過表層厚度的一半時(shí)，通常會(huì)降低TBCs的應(yīng)力集中，提高涂層的應(yīng)變?nèi)菹轠29-31]，從而顯著提高涂層的抗熱震性能。雖然分段裂紋不利于降低TBCs的有效導(dǎo)熱系數(shù)，但TBCs足夠大的厚度，保證了其仍具有較高的隔熱效果[32-34]。APS-TBCs具有分段裂紋的微觀結(jié)構(gòu)特征，與EB-PVD制備的TBCs相似，垂直裂紋方向與熱流方向平行。此外，水平裂紋的存在會(huì)降低涂層的有效導(dǎo)熱系數(shù)，但它可以沿涂層/基體界面方向擴(kuò)展，最終到達(dá)涂層的邊緣，導(dǎo)致界面的剝落與失效，所以涂層中存在的水平裂紋通常對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的服役壽命有較大不利影響。此外，現(xiàn)有的大量研究?jī)H考慮涂層與基體良好結(jié)合，而忽略了由于裂紋尖端應(yīng)力集中而引起了界面裂紋這一實(shí)際情況[35-39]。Wang等[4, 11, 40, 41]采用有限元法計(jì)算了熱循環(huán)過程中陶瓷層水平裂紋和垂直裂紋對(duì)TGO層周圍應(yīng)力分布的影響，結(jié)果表明，同一位置不同區(qū)域的水平裂紋和垂直裂紋對(duì)TGO層周圍水平方向應(yīng)力分布的影響較大。圖3a～3d考慮了不同區(qū)域的水平裂紋對(duì)界面處應(yīng)力分布的影響，對(duì)于圖中Ⅰ區(qū)的水平裂紋，最大拉應(yīng)力位于TGO層的波峰位置附近，最大壓應(yīng)力位于波峰到波谷或波谷到波峰的中間位置，應(yīng)力集中不易發(fā)生在靠近水平裂紋的位置[11]。

對(duì)于I區(qū)的垂直裂紋，y方向的最大拉應(yīng)力已轉(zhuǎn)移到靠近垂直裂紋尖端的位置。最大壓應(yīng)力的位置仍然位于波峰或波谷的中間位置(圖4b)。如果裂紋位于Ⅱ區(qū)，對(duì)于水平裂紋，從圖3c和3d可以看出應(yīng)力集中發(fā)生在裂紋尖端。與圖4a相比，最大應(yīng)力已轉(zhuǎn)移到裂紋尖端(圖4c)。對(duì)于Ⅱ區(qū)的垂直裂紋，可以看出最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在TGO層的波谷處，但裂紋尖端也存在應(yīng)力集中。然而TGO層波谷處的應(yīng)力集中對(duì)裂紋尖端均無影響，TGO層波谷處的應(yīng)力集中，一定程度上能夠緩解裂紋尖端的應(yīng)力集中(圖4d)。根據(jù)斷裂力學(xué)的基本理論，裂紋尖端應(yīng)力趨于集中，應(yīng)力強(qiáng)度因子(SIF)與裂紋尖端應(yīng)力呈線性關(guān)系。當(dāng)裂紋尖端的SIF超過涂層界面處的斷裂強(qiáng)度時(shí)，裂紋將沿著界面擴(kuò)展。當(dāng)只有水平裂紋存在時(shí)，在I區(qū)的裂紋尖端應(yīng)力集中不會(huì)發(fā)生。這是由于TGO周圍的應(yīng)力遠(yuǎn)高于水平裂紋尖端的應(yīng)力，整個(gè)TBCs的最大應(yīng)力集中在TGO層。不難看出TGO層上方陶瓷層內(nèi)部(遠(yuǎn)離TGO層)的水平裂紋不會(huì)對(duì)TGO附近裂紋擴(kuò)展引起的涂層失效產(chǎn)生影響[11]。然而，當(dāng)出現(xiàn)一條幾乎貫穿涂層水平剖面長(zhǎng)度的水平裂紋時(shí)，TGO界面處的應(yīng)力分布和失效模式還需要進(jìn)一步深入探討。垂直裂紋的存在將消除TGO界面周圍的最大拉應(yīng)力集中，這意味著當(dāng)TGO層峰值處的裂紋開始擴(kuò)展時(shí)，陶瓷層內(nèi)部垂直裂紋的擴(kuò)展模式將轉(zhuǎn)移到裂紋附近，而裂紋尖端y方向的最大拉應(yīng)力將使垂直裂紋沿涂層厚度方向擴(kuò)展。研究裂紋形態(tài)的分布對(duì)目前界面處裂紋擴(kuò)展機(jī)理的研究提供了一定的指導(dǎo)方向。在TBCs的制備過程中，等離子體噴涂存在燒結(jié)現(xiàn)象，熔融的粒子經(jīng)過霧化、飛行、碰撞、凝固和收縮沉積在基體表面，薄薄的扁平粒子互相重疊，最后形成層狀堆疊的TBCs，部分未熔化的粒子存在于涂層內(nèi)部，不規(guī)則的孔隙與微裂紋也同時(shí)存在，使得TC/BC界面處應(yīng)力分布極為復(fù)雜，在熱應(yīng)力及外應(yīng)力的綜合作用下，一旦應(yīng)力值超過界面處的結(jié)合強(qiáng)度，將使得TBCs的TC/BC界面提前分層。在由于涂層的失效模式較為復(fù)雜，相關(guān)研究還需深入探討。

圖3 水平裂紋y方向應(yīng)力分布：(a)Ⅰ區(qū)無TGO蠕變，(b)Ⅰ區(qū)有TGO蠕變，(c)Ⅱ區(qū)無TGO蠕變，(d)Ⅱ區(qū)有TGO蠕變[11]Fig.3 The distribution of stress in y-direction for the horizontal crack in zone I without TGO creep (a), with TGO creep (b); in zone II without TGO creep (c), and with TGO creep (d)[11]

圖4 垂直裂紋y方向的應(yīng)力分布：(a)Ⅰ區(qū)無TGO蠕變，(b)Ⅰ區(qū)有TGO蠕變，(c)Ⅱ區(qū)無TGO蠕變，(d)Ⅱ區(qū)有TGO蠕變[11]Fig.4 The distribution of stress in y-direction for the vertical crack in zone I without TGO creep (a), with TGO creep (b); in zone II without TGO creep (c), with TGO creep (d)[11]

2.2 裂紋位置對(duì)涂層應(yīng)力分布的影響

界面開裂是導(dǎo)致TBCs失效的主要因素，當(dāng)裂紋在TC/TGO/BC界面處萌生，裂紋將沿著界面擴(kuò)展并最終到達(dá)涂層邊緣。為了研究陶瓷層中裂紋位置對(duì)TGO界面周圍應(yīng)力分布的影響，國(guó)內(nèi)外研究者進(jìn)行了大量的有限元模擬[4, 10, 11, 28, 42, 43]。有關(guān)研究表明，涂層層狀界面是TBCs的薄弱位置，應(yīng)力集中、裂紋擴(kuò)展和失效往往發(fā)生在這些層狀界面上，在熱應(yīng)力作用下裂紋易沿著界面萌生、擴(kuò)展、聚積。因此，討論裂紋在涂層內(nèi)部的位置對(duì)于指導(dǎo)APS-TBCs的結(jié)構(gòu)優(yōu)化尤為重要。

2.2.1 涂層表面裂紋

在材料和涂層/基體系統(tǒng)中，表面裂紋或界面剝落是涂層主要的失效機(jī)制。因此，表面裂紋對(duì)涂層界面應(yīng)力分布有著重要的影響。界面微裂紋的萌生和擴(kuò)展是建立界面分層與TBCs壽命關(guān)系的首要問題，通過研究TC/TGO/BC界面開裂[5, 7, 18, 44, 45]和涂層內(nèi)部裂紋的相互作用，可以為涂層的壽命優(yōu)化提供有益的指導(dǎo)[46-49]。Wang等[27]模擬了熱沖擊過程中TBCs的殘余應(yīng)力發(fā)展，發(fā)現(xiàn)最大殘余應(yīng)力發(fā)生在熱循環(huán)冷卻過程的初始階段。在降溫時(shí)，涂層內(nèi)部產(chǎn)生大量裂紋，相比于涂層內(nèi)部裂紋，陶瓷表層裂紋的應(yīng)力集中主要在表面裂紋尖端，和內(nèi)部裂紋相比，其SIF也最大，裂紋傾向于從表面擴(kuò)展，如圖5a～5d所示。計(jì)算得出了在涂層表面陶瓷層內(nèi)不同位置的裂紋尖端的徑向應(yīng)力分布，模擬結(jié)果證實(shí)了材料的破壞和斷裂往往來源于材料的表面。此外，研究還發(fā)現(xiàn)當(dāng)裂紋與相鄰孔洞之間的距離足夠小時(shí)，孔洞會(huì)或多或少地緩解應(yīng)力集中，從而進(jìn)一步延緩裂紋的擴(kuò)展，降低相應(yīng)裂紋的擴(kuò)展速率。但當(dāng)裂紋與相鄰孔洞之間的距離足夠遠(yuǎn)時(shí)，孔隙對(duì)相鄰裂紋的影響則不明顯，相比于孔隙，裂紋更能緩解界面處的應(yīng)力集中現(xiàn)象。Zhu等[44]發(fā)現(xiàn)受拉應(yīng)力狀態(tài)下TBCs表面裂紋與TC/BC界面剝落的相互作用，表面裂紋從TC表面開始擴(kuò)展到涂層的整個(gè)厚度，然后從其根部開始界面分層，并隨著施加的應(yīng)變擴(kuò)展。對(duì)于低表面裂紋密度的涂層，裂紋從TC表面開始，并從表面擴(kuò)展到TC/BC界面；而對(duì)于高表面裂紋密度的涂層，裂紋從TC/BC界面開始并擴(kuò)展到表面。然而，裂紋擴(kuò)展很難預(yù)測(cè)，不僅要考慮臨界斷裂強(qiáng)度和韌性，還要考慮裂紋長(zhǎng)度和裂紋方向，以及陶瓷涂層內(nèi)的任意裂紋擴(kuò)展。

圖5 位于不同位置的裂紋尖端的徑向應(yīng)力[27]：(a)孔和表面裂紋，(b)表面的兩個(gè)裂紋，(c)陶瓷層內(nèi)部孔和裂紋，(d)陶瓷層內(nèi)部的兩個(gè)裂紋Fig.5 The radial stress at the tip of the cracks which are located at different positions[27]: (a) a pore and a crack at the surface, (b) two cracks at the surface, (c) a pore and a crack at the inner of the ceramic layer, (d) two cracks at the inner of the ceramic layer

值得一提的是，在裂紋最終連接之前，不同類型的原始微裂紋之間可能存在相互作用的影響，這方面的研究很少。從應(yīng)力演化的角度看，界面裂紋一旦萌生，局部應(yīng)力將得到松弛，裂紋表面附近的應(yīng)力場(chǎng)將發(fā)生較大變化，從而增加了表層裂紋萌生的可能性。

2.2.2 界面處裂紋擴(kuò)展

復(fù)雜界面性能在控制材料的力學(xué)性能方面起著重要作用[50]，由于其復(fù)雜特性，可以用不同的數(shù)學(xué)函數(shù)來描述熱障涂層界面分層，充分反映界面對(duì)熱障涂層殘余應(yīng)力分布的影響，并對(duì)界面附近裂紋擴(kuò)展進(jìn)行計(jì)算[51]。Shi等[52]發(fā)現(xiàn)均勻溫度下的界面裂紋和水平裂紋相互作用，會(huì)導(dǎo)致涂層的分離和屈曲。然而，對(duì)于熱梯度下的TBCs，如圖6b所示。由于TC層橫向應(yīng)力的增加，其破壞主要是由垂直TC裂紋和界面裂紋共同引起的。此外，垂直和水平裂紋的萌生和擴(kuò)展將使得TC層的破壞模式轉(zhuǎn)變?yōu)榫植繉恿选D7a表明，在高溫氧化過程中，粘結(jié)層發(fā)生氧化會(huì)形成TGO，當(dāng)熱障涂層冷卻至室溫時(shí)，TGO層中產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。伴隨著TGO厚度增加或TGO自身生長(zhǎng)產(chǎn)生應(yīng)力分布不均，TGO內(nèi)部或周圍將產(chǎn)生裂紋，使其破壞模式更加復(fù)雜。

圖6 熱障涂層的垂直裂紋和界面裂紋：(a)均勻溫度，(b)存在熱梯度[52]Fig.6 The vertical and the interfacial cracks in TBCs with uniform temperature (a) and thermal gradient (b)[52]

圖7 熱障涂層的水平裂紋和界面裂紋：(a)均勻溫度，(b)存在熱梯度[52]Fig.7 The horizontal and the interfacial cracks in TBCs with uniform temperature (a) and thermal gradient (b)[52]

Jiang等[53]采用有限元模型模擬界面變形和裂紋形核，數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，在室溫下，粗糙界面處的殘余應(yīng)力集中會(huì)導(dǎo)致界面變形，從而導(dǎo)致振幅增大。由于TGO在室溫下是剛性體，當(dāng)粘結(jié)層變形時(shí)，裂紋在界面處形核。因此，TGO的裂紋是由界面變形引起的。此外，還通過有限元分析研究了界面幾何形貌對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響。如圖8所示，BC同時(shí)發(fā)生彈塑性變形，界面裂紋的增加對(duì)界面處的應(yīng)力分布影響極大。對(duì)于給定的起幅度，裂紋長(zhǎng)度隨著波長(zhǎng)的增加而增加。對(duì)于給定的波長(zhǎng)，裂紋長(zhǎng)度隨振幅的增大而增大[53]。Bialas[54]在模擬TGO/BC界面裂紋時(shí)，預(yù)測(cè)了可能出現(xiàn)的表面裂紋，但無法詳細(xì)描述表面裂紋的萌生和擴(kuò)展，也沒有研究界面裂紋與涂層表層裂紋的相互作用。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)合無損檢測(cè)手段監(jiān)測(cè)涂層界面裂紋的擴(kuò)展方式同樣不可忽略。Wang等[55]發(fā)現(xiàn)通過采用聲發(fā)射(AE)技術(shù)的手段對(duì)APS-TBCs制備的YSZ熱障涂層在三點(diǎn)彎曲(3PB)試驗(yàn)條件下的失效行為進(jìn)行了表征，聲發(fā)射分析和截面觀測(cè)結(jié)果表明，一些主要裂紋傾向于向陶瓷層/粘結(jié)層界面擴(kuò)展[28, 55]。

圖8 當(dāng)粘結(jié)層同時(shí)發(fā)生彈塑性變形時(shí)，隨著界面裂紋的增加，應(yīng)力分布云圖[53]：(a)TGO中的Mises應(yīng)力，(b)x方向的TGO應(yīng)力(粘結(jié)區(qū)在x方向沒有值)，(c)y方向的TGO應(yīng)力，(d)y方向的粘結(jié)層應(yīng)力Fig.8 Stress distribution in the case of the bond coat with both elastic and plastic deformation, with the addition of the interfacial crack[53]: (a) the Mises stress in the TGO, (b) the TGO stress in x direction (the cohesive zone has no value in x direction), (c) the TGO stress in y direction, (d) the bond coat stress in y direction

CMAS滲透對(duì)熱障涂層界面裂紋傳播的影響也同樣不可忽略，Zhang等[56]發(fā)現(xiàn)CMAS在滲透進(jìn)TBCs時(shí)因熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生瞬態(tài)熱應(yīng)力，容易使CMAS穿透TC，從而引起高的面內(nèi)張力。TC層在快速冷卻時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力，促進(jìn)垂直裂紋從頂部表面向TC層底部的蔓延，同時(shí)，外平面拉伸應(yīng)力的積累，致使水平裂紋易出現(xiàn)在CMAS穿透和非穿透區(qū)域之間的界面處。Yang等[57]發(fā)現(xiàn)CMAS沉積厚度越厚，在降溫冷卻過程中，裂紋在YSZ/BC界面處越容易形成。Kim等[58]發(fā)現(xiàn)熱障涂層在高溫下熱震循環(huán)后，涂層出現(xiàn)垂直裂紋和微孔，對(duì)熱疲勞壽命存在顯著的影響，而垂直裂紋可以有效地適應(yīng)涂層在加熱/冷卻循環(huán)過程中的體積變化，從而使熱障涂層的熱疲勞壽命增加4倍以上。此外，F(xiàn)an等[18, 59]研究了TGO對(duì)APS-TBCs中多重表面開裂行為的影響，利用有限元方法和周期邊界條件對(duì)表面裂紋驅(qū)動(dòng)力和裂紋擴(kuò)展路徑對(duì)TGO的依賴關(guān)系進(jìn)行了研究。圖9表明，表面裂紋的擴(kuò)展會(huì)受到不同彈性模量的影響。同時(shí)，裂紋在TGO處的位置同樣影響裂紋擴(kuò)展路徑，對(duì)界面處的應(yīng)力分布影響如圖10所示。

圖9 具有不同彈性模量和表面裂紋位置的TGO的應(yīng)力分布[59]：(a)波峰，ETGO=400 GPa，(b)中間，ETGO=400 GPa，(c)波谷，ETGO=400 GPa，(d)波峰，ETGO=40 GPa，(e)中間，ETGO=40 GPa，(f)波谷，ETGO=40 GPa(裂紋長(zhǎng)度選擇為20 mm，其他參數(shù)視為相同)Fig.9 Stress distribution for the TGO with different elastic modulus and surface crack locations[59]: (a) peak, ETGO=400 GPa, (b) middle, ETGO=400 GPa, (c) valley, ETGO=400 GPa, (d) peak, ETGO=40 GPa, (e) middle, ETGO=40 GPa, (f) valley, ETGO=40 GPa (the crack length is selected to be 20 mm, other parameters are considered to be same)

圖10 具有不同裂紋位置彈性模量的TGO在TBCs中的裂紋擴(kuò)展路徑[59]：(a)波峰，ETGO =400 GPa，(b)中間，ETGO =400 GPa，(c)波谷，ETGO =400 GPa，(d)波峰，ETGO =40 GPa，(e)中間，ETGO =40 GPa，(f)波谷，ETGO =40 GPaFig.10 Crack propagation paths in the TBCs for different crack positions and TGO with different elastic modulus[59]: (a) peak, ETGO=400 GPa, (b) middle, ETGO=400 GPa, (c) valley, ETGO=400 GPa, (d) peak, ETGO=40 GPa, (e) middle, ETGO=40 GPa, (f) valley, ETGO=40 GPa

TGO界面處的裂紋會(huì)影響相關(guān)的斷裂機(jī)制，主要受陶瓷涂層/粘結(jié)層界面彈性失配的控制，可以為設(shè)計(jì)良好耐應(yīng)變的APS-TBCs提供指導(dǎo)。考慮界面粗糙度對(duì)APS-TBCs表面開裂行為的影響，Sfar等[60]通過建立TBCs失效模型研究了TC/TGO界面峰值處TC區(qū)域因熱失配失效存在初始微裂紋產(chǎn)生殘余應(yīng)力，用來評(píng)價(jià)界面韌性或預(yù)測(cè)裂紋的萌生。

2.3 裂紋密度對(duì)涂層應(yīng)力分布的影響

TBCs具有雙層結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，可以將其看作是層狀復(fù)合材料。可靠性和耐久性是TBCs的兩個(gè)重要方面。耐久性要求TBCs在實(shí)際使用條件下具有較高的使用壽命，可靠性要求TBCs具有高粘結(jié)強(qiáng)度、高隔熱性、低殘余應(yīng)力和良好的高溫性能。大量研究結(jié)果表明，通過提高表面裂紋密度和界面結(jié)合能，可以在一定程度上抑制涂層的裂紋擴(kuò)展，從而延緩?fù)繉拥膭兟洌岣咂淠途眯訹11, 27, 28, 44]。Zhu等[44]研究表明，TBCs表面裂紋密度越低，裂紋越容易從陶瓷涂層表面開始，并從表面擴(kuò)展到界面；而對(duì)于高表面裂紋密度的涂層，裂紋則趨向于從TC/BC界面處開始并擴(kuò)展到TC表面，如圖11所示。隨著陶瓷涂層厚度的增加，飽和裂紋密度減小。此外，表面裂紋密度對(duì)界面裂紋的萌生和擴(kuò)展有顯著影響。隨著表面裂紋密度的增加，界面分層長(zhǎng)度減小。在達(dá)到臨界表面裂紋密度之前，不存在界面分層。通過提高表面裂紋密度和界面結(jié)合能，可以延緩?fù)繉拥姆謱樱岣咄繉拥目篃嵴鹦阅芗澳途眯訹59]。由于垂直裂紋擴(kuò)展到界面后往往會(huì)發(fā)生界面分層行為，控制界面脫層行為對(duì)延緩TBCs的失效至關(guān)重要。實(shí)際上，涂層內(nèi)部隨機(jī)分布的孔隙和微裂紋等缺陷使得涂層內(nèi)應(yīng)力分布復(fù)雜，通過控制裂紋的范圍提高涂層的耐久性和壽命，至今仍是研究熱點(diǎn)。

圖11 不同陶瓷涂層厚度h和表面裂紋密度ρ的表面裂紋萌生位置：(a) h=100 μm, ρ=1.1 mm-1; (b) h=100 μm, ρ=2 mm-1; (c) h=200 μm, ρ=1.1 mm-1; (d) h=200 μm, ρ=2 mm-1; (e) h=300 μm, ρ=1.1 mm-1; (f) h=300 μm, ρ=2 mm-1; 在這些情況下的表面粘結(jié)元的抗拉強(qiáng)度和臨界斷裂能 MPa, Γn=20 J/m2,對(duì)于界面粘結(jié)單元，剪切強(qiáng)度和臨界斷裂能為 MPa, Γs=70 J/m2Fig.11 Surface crack initiation locations for different ceramic coating thicknesses and surface crack densities: (a) h=100 μm, ρ=1.1 mm-1; (b) h=100 μm, ρ=2 mm-1; (c) h=200 μm, ρ=1.1 mm-1; (d) h=200 μm, ρ=2 mm-1; (e) h=300 μm, ρ=1.1 mm-1; (f) h=300 μm, ρ=2 mm-1; In these cases, the tensile strength and critical fracture energy for surface cohesive elements are MPa and Γn=20 J/m2, and for interface cohesive elements, the shear strength and critical fracture energy are MPa and Γs=70 J/m2

2.4 斷裂力學(xué)計(jì)算方法研究裂紋擴(kuò)展對(duì)涂層應(yīng)力分布的影響

以往關(guān)于有限元法計(jì)算殘余應(yīng)力的研究大多停留在靜態(tài)思維的角度，而TBCs的失效通常是由裂紋形核、長(zhǎng)大和擴(kuò)展引起的[11, 28]。在以往的工作中，往往根據(jù)最大主應(yīng)力的大小和位置來判斷失效模式和失效位置，裂紋擴(kuò)展行為通常由殘余應(yīng)力模擬結(jié)果來預(yù)測(cè)。上述方法只考慮了裂紋形核位置，而沒有考慮裂紋將如何擴(kuò)展，這種局限性促使了新計(jì)算方法的出現(xiàn)。隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，基于斷裂力學(xué)的有限元方法也可以解決這些問題。通常情況下，應(yīng)力集中在裂紋尖端，SIF和能量釋放率或J積分可以通過有限元計(jì)算得到。基于虛擬裂紋閉合技術(shù)(VCCT)、擴(kuò)展有限元法(XFEM)和內(nèi)聚力模型(CZM)，可以進(jìn)一步模擬裂紋擴(kuò)展路徑，如表2所示。VVCT是計(jì)算裂紋擴(kuò)展能量釋放率的一種非常重要的計(jì)算力學(xué)方法，它基于裂紋擴(kuò)展微小位移時(shí)所需能量等于裂紋閉合功的思想。采用VCCT法計(jì)算能量釋放率，可以判斷裂紋是否會(huì)擴(kuò)展。XFEM是近幾十年來發(fā)展和推廣的一種新的有限元方法，它繼承了傳統(tǒng)有限元方法的優(yōu)點(diǎn)。XFEM可以在不定義初始裂紋的情況下解決具有非連續(xù)特性的裂紋擴(kuò)展問題。當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定的位移時(shí)，不需要對(duì)模型進(jìn)行修正。它還可以跟蹤裂紋的擴(kuò)展，找出TBCs陶瓷層擴(kuò)展裂紋的位置[16, 61-66]。使用有限元法和VCCT等數(shù)值方法計(jì)算模態(tài)混合性時(shí)出現(xiàn)的問題，對(duì)材料界面裂紋尖端振動(dòng)奇異性的數(shù)學(xué)問題給出部分建議。值得注意的是，VCCT必須預(yù)先確定裂紋擴(kuò)展的裂紋路徑，這大大限制了它們?cè)谀M任意裂紋方面的潛力[14, 67-72]。與VCCT相比，通過在標(biāo)準(zhǔn)有限元離散中引入非連續(xù)富集函數(shù)，XFEM可以模擬裂紋的萌生和擴(kuò)展，而無需預(yù)先定義裂紋路徑和重新劃分裂紋尖端周圍區(qū)域，不會(huì)導(dǎo)致裂紋尖端出現(xiàn)應(yīng)力奇異性[16, 61]。APS-TBCs的微觀結(jié)構(gòu)有許多不同的形狀，不同形狀的微結(jié)構(gòu)會(huì)引起不同程度的應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致裂紋萌生的可能性不同。為揭示裂紋可能萌生的位置，Jiang等[62]利用XFEM研究了CMAS侵蝕引起的裂紋行為，結(jié)果表明，裂紋僅出現(xiàn)在CMAS穿透界面附近的組織周圍，此處應(yīng)力狀態(tài)最為嚴(yán)重，加速裂紋的萌生和擴(kuò)展行為。

表2 VCCT, XFEM, CZM方法比較[14-16, 45, 46, 61-78]Table 2 Comparison of VCCT, XFEM and CZM methods[14-16, 45, 46, 61-78]

CMAS浸入EB-PVD-TBCs柱狀間隙將增加TC層的面內(nèi)彈性模量，隨著TC層內(nèi)彈性模量的增加，將在彎曲界面以上區(qū)域引起分層裂紋的拉應(yīng)力水平降低。同時(shí)，剪切應(yīng)力水平降低，當(dāng)分層裂紋擴(kuò)展到彎曲界面區(qū)域時(shí)，使得分層裂紋有增加的趨勢(shì)。然而，一旦裂紋擴(kuò)展到界面的邊緣，CMAS滲透將開始增強(qiáng)微裂紋生長(zhǎng)，并使涂層剝落[67]。Jiang等[73]對(duì)熱障涂層在循環(huán)熱載荷作用下的殘余應(yīng)力和面層開裂行為進(jìn)行了數(shù)值研究，如圖12所示。考慮TGO膨脹、蠕變和界面粗糙度的影響，采用擴(kuò)展有限元法對(duì)任意表面裂紋進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明，表層裂紋在熱循環(huán)前由于較大的殘余應(yīng)力而萌生，在早期由TGO膨脹和蠕變松弛共同促進(jìn)裂紋擴(kuò)展，后期隨著TGO的增厚，裂紋繼續(xù)擴(kuò)展。此外，同樣不可忽略的是，TGO與BC之間的界面裂紋的萌生和擴(kuò)展加速了表層的開裂，一旦裂紋在擴(kuò)展中的能量得不到有效釋放，在界面處的裂紋萌生與擴(kuò)展的相互作用下，將導(dǎo)致TBCs界面過早分層，加速涂層的失效，降低涂層的使用壽命。Huang等[74]通過XFEM預(yù)測(cè)并提出了涂層系統(tǒng)中多個(gè)表面裂紋的驅(qū)動(dòng)力對(duì)APS-TBCs表面開裂行為的影響，為界面應(yīng)力分布和裂紋擴(kuò)展模式提供了指導(dǎo)。XFEM可以用來模擬TBCs陶瓷層裂紋的擴(kuò)展行為，然而，在XFEM模擬中只能啟動(dòng)一個(gè)裂紋。此外，CZM需要預(yù)定義裂紋擴(kuò)展路徑，可以解決界面剛度退化引起的能量耗散問題[15, 45, 46, 73, 75-77]。Caliez等[77]提出CZM模型來評(píng)估EB-PVD-TBCs中的TGO/BC界面臨界能量釋放速率，基于連續(xù)損傷力學(xué)框架，模擬涂層頂層裂紋萌生的局部應(yīng)力場(chǎng)和涂層開裂引起的失效。Jiang等[73]利用ABAQUS軟件分別基于XFEM和CZM對(duì)涂層陶瓷面層開裂和TGO/BC界面開裂進(jìn)行了數(shù)值模擬，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在氧化時(shí)，由于殘余應(yīng)力較大，表層裂紋在熱循環(huán)前萌生，TGO膨脹和蠕變松弛共同促進(jìn)了裂紋的早期萌生和沿著界面處的擴(kuò)展，后期隨著TGO的增厚，裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，這是由于外界的氧氣通過表面裂紋或內(nèi)部孔隙進(jìn)入涂層內(nèi)部，并與粘結(jié)層外部金屬元素Co，Cr發(fā)生氧化反應(yīng)形成氧化物，使得TGO厚度增加，此時(shí)，TGO附近存在巨大的壓應(yīng)力。在達(dá)到臨界厚度之前，致密氧化層的存在可以有效阻止氧氣的進(jìn)入，保護(hù)基體免受破壞，一旦TGO厚度超過臨界值，TGO層就失去了保護(hù)作用。TGO處不均勻分布的應(yīng)力會(huì)加速TGO與BC間界面裂紋的萌生和擴(kuò)展并最終形成長(zhǎng)裂紋，二者相互作用導(dǎo)致界面過早分層。在高溫、高壓等復(fù)雜環(huán)境下，TBCs受外部熱沖擊、高溫氧化、FOD、CMAS腐蝕等外部條件和內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)、不規(guī)則的缺陷(孔隙和微裂紋)的影響，借助有限元計(jì)算模擬等手段，還需要繼續(xù)深入研究裂紋萌生、擴(kuò)展、聚集對(duì)TBCs的界面分層的失效影響。

圖12 裂紋在不同TC層的蠕變率B[73]：(a)20次熱循環(huán)后的裂紋長(zhǎng)度、時(shí)間及室溫下的裂紋形態(tài)，(b)BTC= 3.6e-9 s-1 MPa-1，(c) BTC=9.0e-9 s-1 MPa-1Fig.12 The crack growths in TC for different TC creep rates[73]: (a) the crack length vs time and the crack patterns at room temperature after 20 thermal cycles, (b) BTC= 3.6e-9 s-1 MPa-1 and (c) BTC=9.0e-9 s-1 MPa-1

2.5 裂紋擴(kuò)展對(duì)涂層失效的影響

TBCs在實(shí)際使用條件下的失效行為是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，它往往與殘余應(yīng)力、蠕變效應(yīng)、燒結(jié)效應(yīng)、氧化等有關(guān)。但總體而言，其失效往往與裂紋的形核、長(zhǎng)大和最終擴(kuò)展有關(guān)。涂層內(nèi)部存在裂紋雖然可以有效增加涂層隔熱性能，然而當(dāng)裂紋密度超過臨界值時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響涂層的穩(wěn)定性。

如圖13所示，當(dāng)TBCs經(jīng)受高溫?zé)嵫h(huán)時(shí)，在冷卻過程中, 由于殘余應(yīng)力和界面粗糙引起的開裂行為將導(dǎo)致粗糙界面附近應(yīng)力重新分布。對(duì)于任何特定厚度的TGO，裂紋萌生受振幅的控制，而裂紋的擴(kuò)展則受限于正弦粗糙度的波長(zhǎng)和振幅的聯(lián)合作用。復(fù)雜的應(yīng)力場(chǎng)分布導(dǎo)致裂紋沿著界面擴(kuò)展，影響其失效模式和使用壽命[78]。幾十年來，TBCs高溫失效問題一直是困擾國(guó)內(nèi)外研究者的核心問題。影響TBCs失效模式的因素很多，但總體上可以歸結(jié)為內(nèi)部原因和外部原因，內(nèi)部原因主要反映界面處微觀結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)、氣孔和微裂紋；外部原因?yàn)門BCs的實(shí)際使用環(huán)境，包括熱沖擊、高溫氧化和FOD等，無論失效模式如何，最終都?xì)w因于界面和裂紋的相互作用和共同作用。

圖13 溫度環(huán)境下考慮界面裂紋的應(yīng)力分量及等效塑性應(yīng)變(PEEQ)[78]：(a)Mises應(yīng)力，(b)S11，x方向應(yīng)力，(c)S22，y方向的應(yīng)力，(d)PEEQ，等效塑性應(yīng)變Fig.13 Stress components and equivalent plastic strain (PEEQ) at the ambient temperature considering the interface crack[78]: (a) Mises stress, (b) S11, stress in x direction, (c) S22,stress in y direction, (d) PEEQ, equivalent plastic strain

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)界面控制的失效問題進(jìn)行了大量的研究[14, 16, 18, 44, 45, 52, 61]。首先，從TBCs陶瓷頂層在熱沖擊過程中的微觀結(jié)構(gòu)演變來看，復(fù)合狀態(tài)的微觀結(jié)構(gòu)和熱沖擊過程中的應(yīng)力演化對(duì)TBCs的失效模式起著至關(guān)重要的作用。TBCs在高溫下的失效是一個(gè)伴隨裂紋形核、長(zhǎng)大和擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)累積過程，涂層的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)TBCs的擴(kuò)展路徑有著重要的影響。由于界面的阻擋作用，裂紋在界面附近的擴(kuò)展路徑會(huì)發(fā)生聚集。而界面往往是涂層的薄弱環(huán)節(jié)，隨著高溫服役時(shí)間的延長(zhǎng)，界面的微觀結(jié)構(gòu)包括化學(xué)成分和幾何形態(tài)都會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，從而使涂層的擴(kuò)展模式和失效機(jī)理更加復(fù)雜。TBCs在高溫下的失效過程是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程，它與溫度場(chǎng)的變化、材料性能的變化和界面演化緊密相關(guān)，如圖14所示。層狀界面的存在可以有效地減小高溫對(duì)涂層的破環(huán)[44]，有效提高涂層的隔熱性能。然而，涂層表面及界面處存在大量的裂紋會(huì)加速涂層的剝落，導(dǎo)致涂層過早失效。

圖14 TBCs的失效模式[44]：(a)SEM觀察到的多處表面裂紋照片,(b)表面裂紋和界面分層的截面SEM照片F(xiàn)ig.14 Failure modes of TBCs[44]: (a) multiple surface cracks observed on the surface by SEM, (b) SEM image of the cross-section of surface cracking and interfacial delamination

在實(shí)際使用條件下，裂紋的出現(xiàn)常和殘余應(yīng)力、蠕變效應(yīng)、燒結(jié)效應(yīng)、氧化等因素有關(guān)。總體而言，裂紋的破壞往往是由于裂紋的形核、長(zhǎng)大和最終的擴(kuò)展。如圖15所示，在高溫?zé)嵫h(huán)下，影響TBCs失效模式和壽命的因素非常復(fù)雜和不可預(yù)測(cè)。包括基體和BC的彈塑性變形、TGO層和TC層的彈性變形、TGO層的熱生長(zhǎng)、分布在TGO層兩側(cè)的元素的熱動(dòng)力學(xué)和動(dòng)力學(xué)過程、各層的蠕變效應(yīng)和界面相鄰兩層、外載荷、溫度梯度變化率、涂層與環(huán)境之間的對(duì)流等[11, 79]。由于TBCs的制備及加工過程的復(fù)雜性，目前還沒有完全理解TBCs自身的結(jié)構(gòu)和材料行為的不確定性。因此，分析界面處的裂紋擴(kuò)展對(duì)TBCs的影響，對(duì)提高TBCs壽命極為重要。

圖15 在同相熱機(jī)械疲勞(IP-TMF)試驗(yàn)?zāi)Ｊ较拢珽B-PVD-TBCs的典型性能和損傷示例[79]：(a)標(biāo)準(zhǔn)化平均應(yīng)變?chǔ)?ε0的蠕變曲線，其中ε0是首次加載時(shí)的應(yīng)變，(b)TBCs系統(tǒng)的棘輪行為表現(xiàn)為每次加載循環(huán)后低溫應(yīng)變的增加，(c)TBCs層開裂處的斷面拋光SEM照片(與實(shí)際加載軸平行)，(d)TBCs層多次破碎的宏觀照片，(e)BC層中形成的孔洞SEM照片，(f)BC層中的疲勞裂紋擴(kuò)展和新TGO形成的SEM照片，(g)TBC涂層的分層照片，(h)各向異性TGO形態(tài)的圖解(箭頭表示加載方向)，(i)TGO層中應(yīng)力分布示例Fig.15 Examples of typical behavior and damage in an EB-PVD-TBCs during in-phase thermo mechanical fatigue (IP-TMF) testing mode[79]: (a) creep curve of normalized average strain ε/ε0, where ε0 is strain at first loading, (b) ratcheting behavior of the TBC system shown by the increasing strain at low temperature after each loading cycle, (c) SEM image show TBC layer cracking (a polished section, parallel to the actual loading axis), (d) macroscopic appearance of multiple fragmentation of TBC layer, (e) SEM image of the void formation in the BC layer, (f) SEM image of a fatigue crack growth and new TGO formation in the BC layer, (g) image of the delamination of TBC layer, (h) illustration of anisotropic TGO morphology (arrow, loading direction), (i) an example of stress distribution in the TGO layer

3 結(jié) 語

TBCs廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件，使其工作溫度和使用壽命得到有效的提高。由于TBCs復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及惡劣的服役環(huán)境，涂層內(nèi)部易發(fā)生屈曲、開裂、剝落等失效，其失效機(jī)理及壽命評(píng)估一直是相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究。有限元模擬計(jì)算可以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)無法實(shí)時(shí)觀測(cè)的不足，通過實(shí)驗(yàn)與仿真的結(jié)合，可以更好地制備和優(yōu)化高性能TBCs。基于目前的研究進(jìn)展，未來的研究主要將有以下幾點(diǎn)：

(1)涂層制備工藝優(yōu)化 材料的結(jié)構(gòu)決定材料的性能，裂紋的存在使得陶瓷涂層在高溫氧化時(shí)提前失效。適當(dāng)增加陶瓷涂層厚度，可以減小涂層的飽和裂紋密度，從而影響界面裂紋的萌生和擴(kuò)展。通過微弧脈沖離子表面改性、激光熔覆等加工手段處理涂層粘結(jié)層界面，能在提高界面結(jié)合能的同時(shí)，減小界面的殘余應(yīng)力，一定程度上抑制涂層的脫粘，延緩?fù)繉拥姆謱樱岣咄繉拥哪途眯浴Ｔ诟邷匮趸瘯r(shí)陶瓷層內(nèi)部出現(xiàn)大量裂紋，裂紋易向TC/TGO界面擴(kuò)展，當(dāng)裂紋到達(dá)TC/TGO界面附近時(shí)，水平裂紋沿界面方向擴(kuò)展并最終擴(kuò)展到涂層試樣的邊緣，最終導(dǎo)致涂層失效。而當(dāng)垂直裂紋從TBCs表面向界面擴(kuò)展，未到達(dá)界面時(shí)，相鄰垂直裂紋之間會(huì)產(chǎn)生水平裂紋，隨后，隨著水平裂紋的擴(kuò)展，將出現(xiàn)裂紋橋接現(xiàn)象。此外，陶瓷表層的內(nèi)部存在一些扭結(jié)裂紋和孔隙，有利于裂紋尖端的能量釋放，對(duì)裂紋的擴(kuò)展起到阻礙作用，同時(shí)，涂層中存在的微孔會(huì)釋放部分裂紋的應(yīng)力集中，延緩裂紋的擴(kuò)展速率。然而，裂紋擴(kuò)展是動(dòng)態(tài)過程，為了得到界面殘余應(yīng)力對(duì)涂層裂紋的擴(kuò)展規(guī)律，利用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)涂層內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，有利于檢測(cè)涂層裂紋的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)擴(kuò)展信息，更好地預(yù)測(cè)涂層在高溫、高壓、熔鹽腐蝕等惡劣環(huán)境中的服役壽命，為高質(zhì)量涂層的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有力的指導(dǎo)。

本文對(duì)裂紋的形態(tài)、位置、密度等影響涂層使用壽命的因素進(jìn)行研究，重點(diǎn)闡述了裂紋在TBCs及界面位置帶來的破壞。此外，TGO的不均勻增長(zhǎng)將引起界面裂紋的萌生、擴(kuò)展、聚集同樣不可忽略，影響界面應(yīng)力分布及涂層的壽命。此外，采用有限元模擬計(jì)算揭示熱循環(huán)過程中陶瓷層水平裂紋和垂直裂紋的分布對(duì)TGO周圍應(yīng)力的影響機(jī)理，可以通過控制分區(qū)裂紋的密度進(jìn)一步來提高涂層的抗熱震性能和界面斷裂韌性。

(2)有限元法研究TBCs的動(dòng)態(tài)失效機(jī)制 目前，國(guó)內(nèi)外通過預(yù)置裂紋模擬TBCs壽命的研究較多，然而，裂紋的萌生、擴(kuò)展是動(dòng)態(tài)過程，在不同的使用條件下，TBCs的壽命預(yù)測(cè)還有很多工作要做。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，裂紋擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)模擬是求解熱障涂層壽命的重要方法和途徑。雖然可以采用VCCT、XFEM和CZM來解決裂紋擴(kuò)展問題，但當(dāng)存在多條分支或連接裂紋時(shí)，模擬將受到限制。例如，當(dāng)兩條裂紋相交時(shí)，兩條裂紋將連接成為一條裂紋，并沿不同方向連續(xù)擴(kuò)展，或分別沿不同方向擴(kuò)展，或一旦相交，裂紋的擴(kuò)展行為也有可能會(huì)停止。此外，當(dāng)多條裂紋向界面擴(kuò)展時(shí)，裂紋的擴(kuò)展是否會(huì)在界面處停止？或者會(huì)穿過界面繼續(xù)沿著特定方向擴(kuò)展？或者會(huì)繼續(xù)沿著界面擴(kuò)展？在TBCs中，存在著許多隨機(jī)分布的微孔和微裂紋。會(huì)釋放部分裂紋的應(yīng)力集中，影響裂紋的擴(kuò)展速率。裂紋在這種不規(guī)則組織中的擴(kuò)展問題是一個(gè)非常重要的研究方向。

(3)基于數(shù)字圖像及深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)TBCs服役過程的自動(dòng)化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè) 有限元模擬可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀測(cè)涂層內(nèi)部應(yīng)力變化，同時(shí)，通過采用原位聲發(fā)射技術(shù)能夠?qū)ν繉釉诟邷胤圻^程中的裂紋擴(kuò)展行為進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)，建立聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)(幅值、能量、累積能量、計(jì)算率、振鈴數(shù)、中心頻率、峰值頻率等)與裂紋擴(kuò)展行為的動(dòng)態(tài)聯(lián)系。同時(shí)采用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)(digital image correlation，DLC)對(duì)涂層在高溫承載過程中的應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)控，計(jì)算涂層的屈曲失效。隨著信息技術(shù)的突飛猛進(jìn)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)性能的提高，未來將運(yùn)用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)等高科技技術(shù)為TBCs的研究提供動(dòng)力與理論支持。通過機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)及大數(shù)據(jù)分析對(duì)材料數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，可以加速對(duì)TBCs的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)的思想及研究范式，即通過多尺度計(jì)算、高通量實(shí)驗(yàn)表征、數(shù)據(jù)庫以及機(jī)器學(xué)習(xí)等手段的結(jié)合與融合，形成TBCs研究從原子、分子層次到宏觀連續(xù)介質(zhì)尺度的自下而上的設(shè)計(jì)再到生命周期的考核應(yīng)用全鏈條貫通的研究范式。從多尺度計(jì)算來看，涂層內(nèi)部復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)，就微觀方面，基于第一性原理、分子動(dòng)力學(xué)的理論通過密度泛函理論(DFT)構(gòu)造原子間相互作用的勢(shì)函數(shù)，可以計(jì)算界面裂紋處原子在不同溫度點(diǎn)的熱導(dǎo)率及熱擴(kuò)散系數(shù)，預(yù)測(cè)潛在的材料結(jié)構(gòu)，將結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，同時(shí)結(jié)合成熟的實(shí)驗(yàn)表征測(cè)試手段，測(cè)試材料的性能，存入數(shù)據(jù)庫(基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、模擬及實(shí)際服役環(huán)境中的性能數(shù)據(jù))。通過機(jī)器學(xué)習(xí)方法利用專用數(shù)據(jù)庫進(jìn)行設(shè)計(jì)，構(gòu)造材料本構(gòu)模型。從宏觀上，采用宏觀有限元模擬的手段，基于連續(xù)介質(zhì)模型，計(jì)算TBCs在制備過程中的殘余應(yīng)力分布及演化規(guī)律，對(duì)TBCs的厚度進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)對(duì)涂層在高溫服役過程中的溫度場(chǎng)變化影響實(shí)際使用壽命進(jìn)行模擬計(jì)算。此外，TBCs除了受熱沖擊、高溫氧化和粒子損傷等損傷外，CMAS帶來的損傷也不可忽略，考慮高溫水氧腐蝕以及高溫?zé)嵫h(huán)熱沖擊等復(fù)雜工況共存的條件，其外部邊界條件是復(fù)雜的多因素耦合狀況，因此，需要借助有限元計(jì)算的手段計(jì)算涂層在此復(fù)雜耦合環(huán)境條件下的性能演化行為。此外，通過Micro-CT技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)涂層在三維空間的微缺陷(微裂紋、微孔隙)的動(dòng)態(tài)演化行為分析，進(jìn)一步結(jié)合原位聲發(fā)射技術(shù)及機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)涂層內(nèi)部應(yīng)力及裂紋分布，通過有限元模擬計(jì)算裂紋擴(kuò)展，進(jìn)一步預(yù)測(cè)涂層服役壽命。因此，TBCs的工藝優(yōu)化和失效問題仍然是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題。