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作者：闫晓杰太原理工大学

学位级别：硕士

超高温陶瓷(Ultra-high Temperature Ceramics,UHTCs)指熔点在3000℃以上,且能在高温环境以及反应气氛中保持物理和化学稳定性的陶瓷类材料,一般包括过渡金属硼化物、碳化物及氮化物。在超高温陶瓷家族中,ZrB基UHTC具有更加优良的力学性... 详细信息

超高温陶瓷(Ultra-high Temperature Ceramics,UHTCs)指熔点在3000℃以上,且能在高温环境以及反应气氛中保持物理和化学稳定性的陶瓷类材料,一般包括过渡金属硼化物、碳化物及氮化物。在超高温陶瓷家族中,ZrB基UHTC具有更加优良的力学性能,高的热导率和导电性,以及对熔融金属的化学惰性和抗热振性,已经成为目前超高温结构防护中最有前途的材料之一。本文围绕ZrB基超高温陶瓷的力学性能,抗氧化性能,热循环烧蚀性能,热力化耦合模型进行了如下四个方面的研究。第一,基于纳米金属粉末增韧原理,采用放电等离子烧结制备出高致密度ZrB-SiC-Ni超高温陶瓷。通过密度测试发现,随着镍含量的增加,ZrB-SiC-Ni超高温陶瓷致密度得到了提高。采用纳米压痕和微加载试验对其常温下的硬度、弹性模量和断裂韧性等力学性能进行测试。试验结果表明,随着镍含量的增加,ZrB-SiC-Ni超高温陶瓷的硬度和弹性模量有小幅下降,ZrB-SiC-Ni超高温陶瓷的断裂韧性随着镍含量的增加而增加。第二,采用线切割机制备了小尺寸ZrB-SiC-Ni超高温陶瓷试件,并对其抗氧化性能进行研究。结果表明,所有试件氧化层厚度和氧化时间呈现指数正相关趋势。在温度较高的条件下Ni对陶瓷抗氧化性能提升有明显影响。当氧化温度为1600℃时,ZrB-SiC-6mol%.Ni陶瓷的氧化厚度约为ZrB-SiC陶瓷的一半,镍的掺入提高了ZrB-SiC超高温陶瓷的抗氧化性能,主要原因为Ni降低了Si O的挥发性,抑制了氧向非氧化区域的扩散。氧化温度为1600℃时,未添加镍的ZrB-SiC陶瓷氧化截面为经典的四层氧化结构,ZrB-SiC-6mol%.Ni超高温陶瓷截面无SiC消散层。第三,采用氧丙烷热冲击试验台对ZrB-SiC超高温陶瓷鼻锥模型进行循环烧蚀试验,通过扫描电镜对鼻锥截面进行微观形貌和元素分析。研究结果表明:随着循环次数的增加,其氧化层厚度和质量增重呈现指数正相关趋势。锥顶部的氧化层厚度要明显大于侧边的氧化层厚度,并且氧化层厚度随着鼻锥距离的增加而减小。当烧蚀温度为1600℃,循环烧蚀次数为5次时,鼻锥尖端氧化层厚度达到125±10μm。烧蚀结果表明ZrB-SiC陶瓷鼻锥在1600℃服役工况下具备良好的应用前景。第四,依据现有的热力学和Fick扩散定律,采用ZrB超高温陶瓷稳态氧化动力学模型,分析了不同孔隙率和孔隙半径对氧化层厚度、质量增重的影响,数值模拟显示预测结果与实际试验数据基本吻合;进一步采用Arrhenius方程建立ZrB-SiC热力化耦合模型,数值模拟发现,氧化层中应力状态为先增大后减小,基底层中应力状态为先增大后趋于稳定。结果表明在氧化前期,氧化应力对氧化影响作用不明显,随着氧化时间的增加,其影响效果逐渐增加。综上所述,通过放电等离子烧结成功制备了高致密度ZrB-SiC-Ni超高温陶瓷,并对其常温力学性能及高温氧化性能进行考核,试验结果表明,Ni的掺入有效提高了ZrB-SiC超高温陶瓷的断裂韧性及抗氧化性能,为制备高性能超高温陶瓷材料提供了试验方案。采用氧丙烷热冲击试验台对ZrB-SiC陶瓷鼻锥进行循环烧蚀试验,试验结果表明ZrB-SiC超高温陶瓷鼻锥在1600℃的服役工况下可保持良好的气动外形,为实现ZrB-SiC超高温陶瓷作为高超声速飞行器鼻锥前缘等热防护结构提供了试验支持。基于Arrhenius方程建立了ZrB-SiC超高温陶瓷热力化耦合模型,研究了氧化过程中超高温陶瓷的应力应变分布情况,为深入研究超高温陶瓷的氧化机理提供了理论指导。

关键词：超高温陶瓷力学性能高温氧化热循环烧蚀热力化耦合

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热障涂层损伤机理的热力化耦合理论与表征方法

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湘潭大学学报（自然科学版） 2019年第6期41卷 17-26页

作者：杨丽湘潭大学材料科学与工程学院

热障涂层(TBCs)是提高发动机服役温度最切实可行的办法,航空发动机推重比、可靠性、热效率的任何一点进步都将依赖于热障涂层技术的发展.剥落失效是制约国际热障涂层发展与应用的重要瓶颈,这一瓶颈在我国尤为突出,但目前人们对热障涂层... 详细信息

热障涂层(TBCs)是提高发动机服役温度最切实可行的办法,航空发动机推重比、可靠性、热效率的任何一点进步都将依赖于热障涂层技术的发展.剥落失效是制约国际热障涂层发展与应用的重要瓶颈,这一瓶颈在我国尤为突出,但目前人们对热障涂层剥落失效的热力化耦合本质机制理解还很不透彻,缺乏合适的理论模型与分析方法来分析和控制涂层的过早剥落.针对“剥落失效”制约TBCs发展与应用的瓶颈问题提炼出热障涂层损伤机理的热力化耦合理论与实验方法的关键科学问题.基于该科学问题进行了详细的评述,包括建立TBCs破坏机制分析的热力化耦合理论模型,发展考虑实际几何形状、真实微观结构、复杂服役环境与热力化耦合理论模型的有限元模拟方法,结合TBCs热力化耦合破坏实验的研究,分析TBCs高温氧化、CMAS腐蚀、冲蚀,以及三者共同作用的热力化耦合破坏机理,提炼出影响TBCs剥落失效的关键因素.在此基础上,发展TBCs关键性能的表征方法,并建立关键因素与TBCs材料、工艺之间的关联,指导TBCs的优化设计与安全应用.最后提出了未来的重点研究方向.

关键词：热障涂层热力化耦合剥落失效优化设计

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热障涂层热力化耦合本构与失效机理

热障涂层热力化耦合本构与失效机理

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中国稀土学会2020学术年会暨江西(赣州)稀土资源绿色...

作者：杨丽周益春朱旺西安电子科技大学先进材料与纳米科技学院湘潭大学材料科学与工程学院

热障涂层是提升航空发动机涡轮叶片承温能力的关键热防护技术,高温、氧化、腐蚀等极端环境下涂层剥落是巨大瓶颈,其科学本质是热(高温)、力(新物质生长应力、各层热失配应力)、化(新物质生长)及其相互促进与耦合的过程,但热力化耦合本... 详细信息

热障涂层是提升航空发动机涡轮叶片承温能力的关键热防护技术,高温、氧化、腐蚀等极端环境下涂层剥落是巨大瓶颈,其科学本质是热(高温)、力(新物质生长应力、各层热失配应力)、化(新物质生长)及其相互促进与耦合的过程,但热力化耦合本构、实验与表征方法都是国际前沿的科学难题。本文建立了界面氧化、CMAS腐蚀等热障涂层关键热力化耦合失效的本构与断裂模型,提出了微结构与损伤演变的非线性数值求解方法,解决了涂层失效过程中非线性效应和多重耦合效应等难题,实现了温度场、氧化物生长、CMAS渗透腐蚀与变形场的耦合求解,发现了氧化局域化、腐蚀相变、屈曲失稳等系列新现象,揭示了其力学与化学因素的耦合机制。设计了高温-力-氧、高温-力-固体熔融物、高温燃气-腐蚀-冲蚀等热力化耦合实验方法,建立了耦合环境下裂纹与变形场实时定量表征方法,揭示了热障涂层界面氧化与CMAS腐蚀的失效机理。

关键词：热障涂层热力化耦合本构模型,界面氧化,CMAS腐蚀

来源： cnki会议评论

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热障涂层服役环境模拟试验方法的研究进展

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航空制造技术 2023年第17期66卷 38-45页

作者：闫维亮杨丽周益春严刚李聪西安电子科技大学西安710126 西安电子科技大学涂层薄膜材料与器件前沿交叉研究中心西安710126

热障涂层是航空涡轮发动机高温环境部件的关键材料。在恶劣的服役工况以及多场耦合作用下涂层容易剥落失效是急需解决的关键问题,而服役环境试验模拟装置的研发是解决该问题的必然途径,也是提升涂层性能的重要手段和方法。本文从单一服... 详细信息

热障涂层是航空涡轮发动机高温环境部件的关键材料。在恶劣的服役工况以及多场耦合作用下涂层容易剥落失效是急需解决的关键问题,而服役环境试验模拟装置的研发是解决该问题的必然途径,也是提升涂层性能的重要手段和方法。本文从单一服役环境、多耦合服役环境两个方面对试验模拟装置的研究现状进行了详细的综述,重点阐述了静态试验装置和动态试验装置。最后分析了将来需要研究的关键科学问题,展望了热障涂层服役环境模拟试验方法的发展趋势。

关键词：热障涂层(TBCs) 服役环境热力化耦合剥落失效模拟装置

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航空发动机高温涂层耐海洋大气腐蚀研究进展

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热喷涂技术 2019年第4期11卷 1-9+15页

作者：李发国杨丽周益春湘潭大学材料科学与工程学院

随着"深蓝战略"的实施,航空发动机热端部件耐海洋大气腐蚀性能的研究引起人们的重视。从海洋大气特点,高温涂层种类,海洋大气腐蚀研究现状,腐蚀机制,检测技术等方面论述了航空发动机高温涂层耐海洋大气腐蚀的研究进展。

关键词：航空发动机高温涂层热腐蚀热力化耦合检测技术

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