李峰勛+李振哲

摘 要： 熱障陶瓷系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于渦輪發(fā)動機(jī)，用于保護(hù)熱端部件，從而提高渦輪發(fā)動機(jī)熱效率。本文首先研究了熱障陶瓷系統(tǒng)特性，分析了影響因素。然后，介紹了不同的熱障陶瓷系統(tǒng)方針模型，并分析了各自特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 渦輪發(fā)動機(jī)；熱障陶瓷系統(tǒng)；熱生長氧化層

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

1. 引言

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

航空飛機(jī)的渦輪發(fā)動機(jī)是以高溫高壓下燃料燃燒的能量為推進(jìn)力，發(fā)動機(jī)部件尤其是暴露在高溫的機(jī)械部件的抗熱性能會直接影響到發(fā)動機(jī)的效率和壽命。為保護(hù)金屬葉片，TBC廣泛應(yīng)用于航空機(jī)引擎或渦輪發(fā)動機(jī)[1]， TBC具有足夠的厚度可以承受發(fā)動機(jī)工作時(shí)的高溫和由發(fā)動機(jī)反復(fù)啟動而引起的溫度變化，不僅提高了機(jī)械部件的耐用度而且由于工作溫度的升高提升了發(fā)動機(jī)的熱效率。熱障陶瓷系統(tǒng)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(dǎo)致TBCs的失效。

TBC的失效主要由TGO引起，而TGO的失效主要由內(nèi)部應(yīng)力的累積造成。TGO的內(nèi)部應(yīng)力由TGO和BC的不同的熱膨脹系數(shù)（Coefficient of Thermal Expansion； CTE）[2， 3]及高溫中由TGO界面方向生長而引起的應(yīng)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(jié)合而成的氧化鋁。氧化鋁是陶瓷類材料，而BC的熱膨脹系數(shù)和金屬的熱膨脹系數(shù)相似，這樣TGO和BC的熱膨脹系數(shù)相差兩倍。在反復(fù)加熱和冷卻過程中TGO和其他層界面方向的應(yīng)力高達(dá)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?yàn)門GO在界面方向的生長類似于TGO的單獨(dú)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(xiàng)目中最為關(guān)注的也是冷卻孔周圍TGO的變形。

關(guān)于冷卻孔的研究很多學(xué)者的研究都是著重于冷卻孔周圍的熱傳導(dǎo)，但是渦輪發(fā)動機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不僅受熱疲勞，而且還有葉片高速旋轉(zhuǎn)所導(dǎo)致的向心力，作用在冷卻孔周圍的向心力會產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)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(xiàn)可以直接引發(fā)葉片的失效乃至發(fā)動機(jī)的損傷，因此有必要對熱和機(jī)械疲勞條件下冷卻孔的變形進(jìn)行分析和研究。

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

2. 熱障陶瓷系統(tǒng)特性

熱生長氧化層和熱障陶瓷層用于保護(hù)高溫金屬基體使其減輕熱腐蝕?？偠灾?，它可以降低渦輪發(fā)動機(jī)里面熱端部件的溫度。渦輪發(fā)動機(jī)里面的構(gòu)件承受著高溫使用環(huán)境和常溫之間的周期性反復(fù)溫度變化。這種工作環(huán)境導(dǎo)致熱障陶瓷系統(tǒng)承受周期性熱-機(jī)械耦合負(fù)載，因此使熱生長氧化層承受周期性的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力。結(jié)果導(dǎo)致由分離、變形等多因素誘發(fā)的熱障陶瓷系統(tǒng)的失效 [3， 4]。

3. 熱障陶瓷系統(tǒng)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(gòu)成的三同心圓模型，分析了由熱生長氧化層的生長而導(dǎo)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(yīng)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(gòu)成的球殼模型，并分析了在熱循環(huán)條件下的熱生長氧化層的變形。結(jié)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(yīng)變變得更大。Karlsson等人比較了理論模型與基于有限元法的數(shù)值模型。為了分析熱-機(jī)械耦合負(fù)載的影響，Li等人[7]研究了熱-機(jī)械耦合負(fù)載下的理論和數(shù)值模型，為渦輪發(fā)動機(jī)用熱障陶瓷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)奠定了科學(xué)基礎(chǔ)。

4. 結(jié)論

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

參考文獻(xiàn)

[1] 劉純波，林鋒， and 蔣顯亮， "熱障涂層的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢". 中國有色金屬學(xué)報(bào)， 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(yīng)力分布的影響". 材料開發(fā)與應(yīng)用， 2012， p.32-35.

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

[4] 高永栓， et al.， "在高溫蠕變環(huán)境中的熱障涂層失效行為". 航空學(xué)報(bào)， 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