1、熱障涂層(Thermal barrier coatings，簡稱TBCs)具有良好的隔熱、耐磨蝕性能，因此在航空渦輪發(fā)動機和工業(yè)燃氣輪機高溫部件的熱防護領(lǐng)域得到了廣泛應用。然而，由于熱障涂層本身結(jié)構(gòu)及服役環(huán)境的復雜性，導致涂層在毫無征兆情形下出現(xiàn)表面開裂及界面剝落等失效行為，嚴重影響了渦輪葉片的使用壽命和可靠性。因此，采用先進的無損檢測技術(shù)，監(jiān)測熱障涂層體系失效過程中的關(guān)鍵參數(shù)演變，對熱障涂層體系的壽命預測和可靠性評估具有重要意義。針對

2、三層或多層結(jié)構(gòu)的涂層體系，本文進一步完善了相關(guān)剪滯理論模型，采用基于數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)的三維變形光學無損測試系統(tǒng)，并以聲發(fā)射檢測系統(tǒng)為輔助工具，在常溫和變溫環(huán)境中分別研究了在拉伸載荷作用下等離子噴涂工藝制備的TBCs斷裂失效過程。本論文的主要研究內(nèi)容歸納如下：
　　第一，首先考慮殘余應力的影響，基于界面應力傳遞，建立了三層結(jié)構(gòu)涂層體系剪滯理論模型，獲得了在基底拉伸過程中涂層體系的應力場解析表達式。然后以TBCs材料為研究對象，主要結(jié)

3、果是：當基底應變分別增加到0.08％和0.11%時，基底/粘結(jié)層界面、粘結(jié)層/陶瓷層界面的切應力方向先后發(fā)生改變。當基底應變分別為0.10%和0.24%時，粘結(jié)層和陶瓷層內(nèi)正應力由殘余壓應力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?。當基底應變增加?.39%和0.43%時，陶瓷層和粘結(jié)層先后萌生第一條裂紋。該理論模型所預測的結(jié)果將為實驗測試表征提供理論指導。
　　第二，基于拉曼頻移與殘余應力的對應關(guān)系，采用微拉曼光譜法表征不同厚度的TBCs試樣表面殘余應力。

4、結(jié)果表明：隨著陶瓷層厚度從200μm增加至400μm，涂層表面的殘余壓應力從30.55±1.98MPa減小至8.37±1.98MPa，該研究結(jié)果將為拉伸法準確評價涂層體系的斷裂強度、界面剪切強度提供可靠的殘余應力實驗數(shù)據(jù)。
　　第三，采用萬能試驗機、三維變形光學無損測試系統(tǒng)和聲發(fā)射系統(tǒng)，實時監(jiān)測常溫環(huán)境和拉伸載荷作用下TBCs試樣的斷裂失效過程。提取基底的應變數(shù)據(jù)并代入理論解析表達式，得到了陶瓷層和粘結(jié)層的臨界斷裂強度分別為100

5、.6±8.9 MPa和1397.2±44.9MPa；陶瓷層/粘結(jié)層界面剪切強度和粘結(jié)層/基底界面剪切強度分別為13.2±3.6MPa和51.7±16.5MPa。分析涂層斷裂點的三維應變數(shù)據(jù)，獲得了陶瓷層的臨界斷裂強度為94.9±8.9MPa，粘結(jié)層的臨界斷裂強度為1832.3±44.9MPa。對實驗過程中聲發(fā)射信號進行快速傅里葉變換，得到陶瓷層表面垂直裂紋、陶瓷層/粘結(jié)層界面裂紋及粘結(jié)層垂直裂紋的特征頻譜分別為0.30-0.32MHz、

6、0.06-0.08MHz和0.15-0.17MHz；結(jié)合拉伸過程中應變演變云圖和掃描電鏡(SEM)微觀形貌圖，探討了常溫拉伸載荷下熱障涂層失效機理。
　　第四，組裝調(diào)試萬能試驗機、三維變形光學無損測試系統(tǒng)、聲發(fā)射和加熱系統(tǒng)，在變溫環(huán)境和拉伸載荷作用下研究了TBCs試樣界面失效過程，成功地對其表面應變場和裂紋萌生所致的聲發(fā)射信號進行實時監(jiān)測。提取基底的應變數(shù)據(jù)并代入理論解析表達式，得到了陶瓷層和粘結(jié)層的臨界斷裂強度分別為64.5±6

7、.9MPa和540.5±15.2MPa；陶瓷層/粘結(jié)層界面剪切強度和粘結(jié)層/基底界面剪切強度分別為26.7±2.3MPa和125.6±12.5MPa。分析斷裂點的三維應變數(shù)據(jù)，獲得了陶瓷層的臨界斷裂強度為61.2±3.9MPa。對實驗過程中聲發(fā)射信號進行快速傅里葉變換，得到陶瓷層表面垂直裂紋、陶瓷層/粘結(jié)層界面裂紋及粘結(jié)層垂直裂紋的特征頻譜分別為0.28-0.30MHz、0.07-0.09 MHz和0.22-0.24MHz；借助于掃描電