热障涂层失效行为的实验力学方法与技术研究

批准号:
11232008
项目类别:
重点项目
资助金额:
340.0 万元
负责人:
谢惠民
依托单位:
学科分类:
A0812.实验固体力学
结题年份:
2017
批准年份:
2012
项目状态:
已结题
项目参与者:
汪长安、廖力、谈梅兰、刘战伟、朱建国、王怀喜、李传崴、吴丹、朱荣华
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中文摘要
热障涂层结构广泛应用于航空、航天、核反应堆等涡轮发动叶片上,主要作用是抵抗高温燃气,保护基体材料。在服役过程中,涂层过早出现开裂、脱粘等失效行为直接影响发动机的安全性。本项目立足于现代国防和民用需求,研究热障涂层失效行为的实验力学方法和技术。重点内容为:1)研制热力等耦合服役行为的实验测试系统,通过实时变形场测量,分析热障涂层在服役过程中的力学失效行为;2)建立热障涂层结构宏微观变形场测量新方法,研制涂层表面和界面变形载体的制备技术;3)发展热波成像法和数字图像相关法相结合的无损检测技术,实现对涂层多种缺陷的测试诊断,并研制集成的检测系统;4)基于实验和计算结果,发展失效分析理论和方法,建立寿命预测模型。最终为热障涂层的材料研制和结构优化设计奠定基础。
英文摘要
Thermal barrier coatings (TBCs) are widely used in turbine blades of aeronautics, astronautics and nuclear reactors for the purpose of insulation from hot gas stream and protection of metallic substrate. Howerer, the gas-turbine engines are under the threat of premature TBCs failures such as fracture and spallation during service.In order to meet the demand of national defense and civil applications,this project aims to develop the methods and techniques of experimental mechanics and their applications to the failure behaviours of TBCs.Research priorities: 1)to self-develop the experimental measuring systems for the researches on thermal-mechanical coupling service behaviors and to analyse the failure behaviors of TBCs during service with in situ measurement of the deformation fields.2)to propose novel methods for the measruement of macro-micro deformation of TBCs and to develop the fabricating techniques of deformation carriers on the surface and interface of TBCs.3)to develop the non-destructive techniques of thermography and digital image corrleration for the detecting of different defects in TBCs and to self-develop the assembly measuring systems.4)to develop the theories and methods for failure analysis and to establish TBCs'life prediction model based on the experimental and calculated results.And lay a foundantion for the fabrication of novel coating materials and optimal designing of TBC structures.
热障涂层(Thermal Barrier Coatings, TBCs)作为航空发动机和燃气轮机热端部件的关键热防护材料和结构,其主要作用是保护合金基体,提高发动机热效率。在服役过程中,涂层过早的开裂、剥落等失效行为直接影响其服役的可靠性。本项目开展了热障涂层失效行为的实验力学方法与技术研究。提出了多种高温光栅/散斑变形载体制备工艺,所制作载体服役温度最高可达1500℃,且具有与基体附着力好、抗氧化能力强、图像对比度高等优点。发展了高温环境下的多种光学测量方法、技术,包括:单相机三维数字图像相关、光栅应变计、光栅位相、透射电镜(TEM)纳米云纹与相干梯度敏感干涉等,并研制了相关测量系统,实现了复杂环境下的热障涂层结构宏微观变形场测试。进一步利用所发展的光学变形场测量技术等,成功获得了不同温度下热障涂层的弹性模量、泊松比等力学参数,表征了陶瓷层、热生长氧化层(TGO)的多尺度残余应力,提出了基于应变方差的涂层断裂失效判别准则。此外,针对热障涂层缺陷检测的需求,发展了激光刻蚀和空心陶瓷颗粒埋入等人工缺陷制备新技术,具有缺陷尺寸、位置精确可控等特点。自主开发了多模式激光扫描热成像无损检测技术,实现了宽度10 µm以上的热障涂层表面裂纹缺陷或直径1 mm以上的人工脱粘缺陷的可视化检测,将现有热成像无损检测技术的脱粘缺陷检测灵敏度提高了约2.5倍。提出了加窗均值载波后处理算法,消除了因物体复杂表面形状造成的不均匀温度分布的影响,实现了真实曲面叶片热障涂层人工脱粘缺陷的高效率检测。上述研究结果表明,所发展的实验力学测量方法、技术与系统可以很好地满足热障涂层极端环境下的测试需求,所获得的力学参数与失效判定准则等可为新型热障涂层的设计制造提供有益的参考,具有重要的科学意义。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
Statistics-based electron Moire technique: a novel method applied to the characterization of mesoporous structures
基于统计的电子莫尔技术:一种应用于介孔结构表征的新方法
DOI:10.1039/c4nr03847a
发表时间:2014
期刊:NANOSCALE
影响因子:6.7
作者:Li Chuanwei;Liu Zhanwei;Xie Huimin;Wu Dan
通讯作者:Wu Dan
Thermo-physical properties of rare-earth hexaaluminates LnMgAl(11)O(19) (Ln: La, Pr, Nd, Sm, Eu and Gd) magnetoplumbite for advanced thermal barrier coatings
用于高级热障涂层的稀土六铝酸盐 LnMgAl(11)O(19)(Ln:La、Pr、Nd、Sm、Eu 和 Gd)磁铅石的热物理性质
DOI:10.1016/j.jeurceramsoc.2014.10.030
发表时间:2015
期刊:JOURNAL OF THE EUROPEAN CERAMIC SOCIETY
影响因子:5.7
作者:Lu Haoran;Wang Chang-An;Zhang Chenguang;Tong Shuyan
通讯作者:Tong Shuyan
Experimental Measurement of Residual Stress on Thermal Spray Coatings with Moire Interferometry and Hole-drilling Method
莫尔干涉和钻孔法热喷涂层残余应力的实验测量
DOI:--
发表时间:2015
期刊:Applied Mechanics and Materials
影响因子:--
作者:Zhu JG;Zhang BG
通讯作者:Zhang BG
Effect of porous microstructure on the elastic modulus of plasma-sprayed thermal barrier coatings: Experiment and numerical analysis
多孔微结构对等离子喷涂热障涂层弹性模量的影响:实验与数值分析
DOI:10.1016/j.surfcoat.2013.08.030
发表时间:2013-11
期刊:Surface Coatings & Technology
影响因子:--
作者:Ma Kang;Zhu Jianguo;Xie Huimin
通讯作者:Xie Huimin
Application of the digital phase-shifting method in 3D deformation measurement at micro-scale by SEM
数字相移法在SEM微尺度3D变形测量中的应用
DOI:10.1088/0957-0233/25/12/125002
发表时间:2014-12
期刊:Measurement Science and Technology
影响因子:2.4
作者:Li Chuanwei;Li Chuanwei;Wang Rong;Wang Rong
通讯作者:Wang Rong
激光修复金属材料和结构服役失效行为的光测力学方法和技术研究
- 批准号:--
- 项目类别:重点项目
- 资助金额:310万元
- 批准年份:2020
- 负责人:谢惠民
- 依托单位:
基于采样云纹方法的微尺度高温变形场测量技术研究
- 批准号:11972209
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:68.0万元
- 批准年份:2019
- 负责人:谢惠民
- 依托单位:
基于云纹法的虚位移场力学参数表征技术研究及应用
- 批准号:11672153
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:106.0万元
- 批准年份:2016
- 负责人:谢惠民
- 依托单位:
超高温氧化环境下高温热防护材料与结构的多参量实验集成方法和技术研究
- 批准号:91216301
- 项目类别:重大研究计划
- 资助金额:250.0万元
- 批准年份:2012
- 负责人:谢惠民
- 依托单位:
纳米压印光栅制备技术及其在金属激光冲击强化力学行为检测中的应用研究
- 批准号:11172151
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:78.0万元
- 批准年份:2011
- 负责人:谢惠民
- 依托单位:
热障涂层力学性能的显微光学测量实验方法研究
- 批准号:90916010
- 项目类别:重大研究计划
- 资助金额:72.0万元
- 批准年份:2009
- 负责人:谢惠民
- 依托单位:
电子束云纹新技术研究及其在多孔NiTi形状记忆合金材料力学行为研究中的应用
- 批准号:10472050
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:33.0万元
- 批准年份:2004
- 负责人:谢惠民
- 依托单位:
高温高压元件蠕变的云纹干涉法测量研究
- 批准号:19302013
- 项目类别:青年科学基金项目
- 资助金额:4.0万元
- 批准年份:1993
- 负责人:谢惠民
- 依托单位:
国内基金
海外基金
