尚福林 ）  包泽赢  郭显聪  赵朋飞  常 远  孙长安  李晓冬
西安交通大学航天航空学院工程力学系/机械结构强度与振动国家重点实验室，西安 710049

　　摘要：热障涂层（TBC）技术是重型燃气轮机和涡轮发动机热端部件制造中的一项关键技术。在制备和服役环境下，经典TBC材料结构中的Ni基合金粘结层与YSZ陶瓷层界面间会形成Al2O3氧化物膜层，该氧化物层以及Ni/Al2O3界面是决定涂层系统使用寿命的主要因素。本课题组集中探讨了热障涂层材料强度特性的两个基础性科学问题：（1）测试热障涂层结合强度的实验与表征方法；（2）Ni/Al2O3界面在复杂加载条件下的界面强度和断裂特征。运用实验手段，对热障涂层结合强度特性进行了测试研究，研究了掌握不同温度、不同组分涂层材料的界面结合强度和断裂韧度等特性。其中，发展了修正三点弯曲、四点弯曲试样以及纳米压痕方法，对新喷涂和含氧化层的8YSZ热障涂层材料进行了常温、100°C、250°C、450°C条件下的测试；进而结合理论解析解、或经验公式，确定了所测试涂层的结合强度和断裂韧度等性能。另一方面，开展基于密度泛函理论方法的第一原理计算研究，重点探讨了Ni/Al2O3界面在单轴拉伸、纯剪切和混合加载条件下的强度特性和断裂方式等。首先，针对理想Ni/Al2O3界面和含掺杂Y的Ni/Al2O3界面，对其在单向拉伸载荷下的断裂特征和基础强度结果进行了再分析，澄清了文献中关于Al-O和O-Al两类界面的脆性/韧性断裂以及原子结合键断裂位置的矛盾性认识，同时指出了对界面实施真实单轴拉伸、而非单向拉伸的必要性；并且定量分析了Y原子对界面结合的增强作用。进而，开展了该界面在纯剪切载荷条件下的第一原理计算，掌握了两类Ni/Al2O3界面的理论剪切强度和断裂特征。在此基础上，继续开展了混合加载条件下Ni/Al2O3界面的失效特性研究，分析了两类滑移情况下的拉伸-剪切耦合效应，构建了该界面混合型势能函数的解析表达式。这些研究结果可为基于连续力学方法模拟该界面破坏过程提供基础数据和模型验证。

　　关键词：热障涂层，结合强度，Ni/Al2O3界面，弯曲实验，第一原理计算

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责任编辑：赵泽南

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