片层结构热障涂层内多裂纹扩展演化及选择性合并机制研究

【作者】 魏志远； 蔡洪能； 李长久； 杨冠军；

【机构】 西安交通大学材料科学与工程学院材料强度国家重点实验室；

【摘要】 等离子喷涂陶瓷层内层间裂纹的扩展/合并是导致涂层失效的根本原因,因此,微结构下层裂纹的扩展演变行为研究成为解读等离子喷涂涂层失效机制和预测涂层寿命的关键。本研究基于大型商业有限元软件ABAQUS,借助于涂层的微观扫描电镜图像形貌构建了一种新颖的扁平粒子堆叠模型,通过二次开发TGO生长子程序和高温蠕变子程序,分析了等温热循环条件下涂层剥落前陶瓷层内部裂纹的动态扩展行为及选择合并机制。研究结果表明:片层结构陶瓷层内孔隙和本征裂纹可以释放波谷附近的拉伸应力,但在裂纹尖端也存在巨大的拉应力,诱使早期裂纹扩展发生;热循环早期裂纹稳定扩展,多次循环之后,裂纹快速扩展并与其他裂纹发生合并,模拟的剥落路径与实验结果吻合;粘结层蠕变仅降低了涂层寿命,并未改变裂纹的演变机制。本研究提出的片层结构下多裂纹选择性合并机制可为高隔热/长寿命高性能热障涂层的研发提供理论支持和数据支撑。更多还原