热障涂层是先进航空发动机涡轮叶片等高温部件的关键热防护材料，涂层剥落是巨大的瓶颈，极其复杂的微结构、服役环境与失效行为，给涂层剥落分析的力学理论、实验方法与试验平台带来诸多挑战。本书围绕热力化耦合理论、性能表征与考核评估阐述了热障涂层破坏理论与评估技术。本书分为三篇，共15章。第一篇即第1～6章介绍热障涂层破坏理论，第二篇即第7～12章介绍热障涂层表征技术，第三篇即第13～15章介绍热障涂层评价技术。该书是作者及其团队的系列研究成果，也包括国际国内最新研究成果的评述。
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序
绪论 1
0.1 热障涂层及其制备方法 2
0.1.1 热障涂层材料与结构 2
0.1.2 热障涂层制备方法 4
0.2 热障涂层剥落失效及其主要因素 7
0.2.1 热障涂层服役环境 7
0.2.2 热障涂层剥落失效及其主要因素 8
0.3 热障涂层失效对固体力学的需求与挑战 11
0.3.1 热障涂层失效对固体力学的需求 11
0.3.2 热障涂层失效对固体力学的挑战 13
0.4 内容概述 17
参考文献 18
第一篇 热障涂层破坏理论
第1章 热障涂层热力化耦合的基本理论框架 25
1.1 连续介质力学 25
1.2 基于小变形的热力化耦合理论框架 27
1.2.1 基于小变形的应变与应力度量 27
1.2.2 基于小变形的应力应变本构关系 40
1.2.3 基于小变形的热力耦合本构理论 44
1.2.4 基于小变形的热力化耦合本构理论 51
1.3 基于大变形的热力化耦合理论框架 56
1.3.1 运动学描述 56
1.3.2 应力应变度量 59
1.3.3 质量守恒方程与力平衡方程 61
1.3.4 基于大变形的热力耦合本构理论 65
1.3.5 基于大变形的热力化耦合本构理论 69
1.4 总结与展望 78
参考文献 80
第2章 涡轮叶片热障涂层非线性有限元 82
2.1 有限元分析原理 82
2.1.1 泛函变分原理 83
2.1.2 Eulerian格式的弱形式 86
2.1.3 Eulerian格式的有限元离散 88
2.1.4 Lagrangian格式弱形式 91
2.1.5 Lagrangian格式有限元离散 93
2.1.6 自适应网格弱形式 95
2.1.7 初始条件和边界条件 98
2.2 涡轮叶片热障涂层有限元建模 99
2.2.1 涡轮叶片几何特征 99
2.2.2 涡轮叶片参数化建模 101
2.3 涡轮叶片网格划分 111
2.3.1 非结构化网格划分 111
2.3.2 涡轮叶片结构化网格 115
2.4 图像有限元建模 118
2.4.1 图像有限元方法 119
2.4.2 二维TGO界面模型建立方法 121
2.4.3 多孔陶瓷层建模方法 123
2.4.4 三维TGO界面模型建立方法 125
2.5 总结与展望 126
参考文献 126
第3章 热障涂层界面氧化的几何非线性理论 129
3.1 界面氧化现象及失效 129
3.1.1 界面氧化特征及规律 129
3.1.2 界面氧化诱导的应力场 132
3.1.3 界面氧化诱导涂层的剥落 135
3.2 基于扩散反应的TGO生长模型 136
3.2.1 控制方程 136
3.2.2 有限元模拟 141
3.3 热障涂层界面氧化的热力化耦合解析模型 150
3.3.1 界面氧化热力化耦合生长解析模型 150
3.3.2 界面氧化热力化耦合生长本构关系 161
3.3.3 界面氧化热力化耦合生长规律与机制分析 176
3.4 总结与展望 184
参考文献 184
第4章 热障涂层界面氧化物理非线性的耦合生长与破坏 188
4.1 热障涂层界面氧化的物理非线性热力化耦合生长模型 188
4.1.1 模型框架 188
4.1.2 数值实施 195
4.1.3 结果和讨论 197
4.1.4 界面氧化耦合解析模型 204
4.1.5 与实验结果的对比 206
4.2 内聚力模型和相场模型一体化的界面氧化失效理论 210
4.2.1 内聚力模型和相场模型一体化的模型框架 210
4.2.2 相场模型简介 211
4.2.3 相场裂纹相互作用的内聚力模型简介 214
4.2.4 数值实施 218
4.2.5 结果和讨论 220
4.3 总结与展望 227
4.3.1 总结 227
4.3.2 展望 228
参考文献 228
第5章 热障涂层CMAS腐蚀的热力化耦合理论 232
5.1 熔融CMAS的渗透及其关键影响因素的关联分析 232
5.1.1 EB-PVD热障涂层熔融CMAS渗入深度的理论模型 232
5.1.2 EB-PVD热障涂层中熔融CMAS渗入深度及影响因素实验 241
5.1.3 EB-PVD热障涂层CMAS渗入深度及影响因素 243
5.1.4 APS热障涂层中CMAS熔融物的渗透 250
5.2 受腐蚀涂层的微结构演变、变形与成分流失 254
5.2.1 涂层微观结构演变与变形 254
5.2.2 CMAS渗透与腐蚀热障涂层的热力化耦合理论 260
5.2.3 CMAS腐蚀热障涂层Y元素分布规律的定量表征 266
5.3 CMAS腐蚀涂层过程中相结构表征与相场理论 274
5.3.1 涂层相结构演变的XRD表征 274
5.3.2 涂层微观结构演变的透射电镜表征 275
5.3.3 降温过程受腐蚀涂层的热力化耦合相变理论 277
5.4 总结与展望 284
参考文献 285
第6章 热障涂层的冲蚀失效机理 289
6.1 热障涂层的冲蚀失效现象 289
6.1.1 热障涂层失效现象 289
6.1.2 热障涂层冲蚀率 290
6.1.3 各种涂层冲蚀性能的比较 290
6.1.4 热障涂层冲蚀性能的一般规律 291
6.2 典型热障涂层的冲蚀失效模式 293
6.2.1 EB-PVD热障涂层的冲蚀失效模式 293
6.2.2 APS热障涂层的冲蚀失效模式 295
6.2.3 PS-PVD热障涂层的冲蚀失效模式 296
6.2.4 热障涂层的CMAS冲蚀失效 297
6.2.5 影响热障涂层冲蚀性能的因素 298
6.3 热障涂层冲蚀参数关联的数值模拟 300
6.3.1 量纲分析理论 300
6.3.2 热障涂层冲蚀的量纲分析 301
6.3.3 冲蚀参数关联的数值模拟分析 304
6.4 考虑微结构影响的冲蚀失效行为分析 308
6.4.1 真实微结构EB-PVD热障涂层的数值模型 308
6.4.2 考虑微结构的屈服条件 309
6.4.3 冲蚀过程中各种参数的关联分析 310
6.4.4 典型冲蚀失效模式的分析 312
6.5 热障涂层冲蚀失效机理与抗力指标 318
6.5.1 EB-PVD热障涂层的冲蚀抗力指标 318
6.5.2 APS热障涂层的冲蚀抗力指标 321
6.6 热障涂层的冲蚀失效机制图 322
6.6.1 从理论角度建立破坏机制图 323
6.6.2 从数值模拟出发建立某一失效模式的破坏机制图 326
6.7 总结与展望 330
6.7.1 总结 330
6.7.2 展望 330
参考文献 330
第二篇 热障涂层表征技术
第7章 热障涂层基本力学性能及其表征 337
7.1 EB-PVD热障涂层弹性行为的原位测量 337
7.1.1 基于数字图像相关技术的微弯曲试验 338
7.1.2 实验和数值模拟结果分析 341
7.1.3 影响弹性模量测量精度的因素 344
7.2 热障涂层力学性能的微结构与时空相关性 345
7.2.1 高速纳米压痕映射技术表征微结构与时空相关性原理 345
7.2.2 高速纳米压痕映射和反卷积技术 347
7.2.3 黏结层和陶瓷涂层快速纳米压痕力学性能表征 349
7.2.4 基于反卷积法表征热障涂层微观结构相分布 353
7.3 热障涂层的蠕变性能 356
7.3.1 EB-PVD热障涂层材料的高温蠕变特性 356
7.3.2 TGO在拉应力作用下的蠕变行为 359
7.3.3 热障涂层蠕变行为对界面应力的影响 362
7.4 总结与展望 364
7.4.1 总结 364
7.4.2 展望 365
参考文献 365
第8章 热障涂层断裂韧性的表征 368
8.1 热障涂层表面断裂韧性的表征 368
8.1.1 断裂韧性的定义 368
8.1.2 不带基底热障涂层表面断裂韧性的单边切口梁法表征 369
8.1.3 热障涂层表面断裂韧性的三点弯曲-声发射结合法表征 374
8.2 热障涂层界面断裂韧性的常规表征方法 380
8.2.1 热障涂层界面断裂韧性表征的理论模型 380
8.2.2 热障涂层界面断裂韧性的三点弯曲法表征 382
8.3 热障涂层表界面断裂韧性的压痕法表征 384
8.3.1 热障涂层表面断裂韧性的压痕法表征 384
8.3.2 热障涂层界面断裂韧性的压痕法表征 386
8.4 热障涂层界面断裂韧性的屈曲法表征 388
8.4.1 热障涂层界面断裂韧性的屈曲实验 388
8.4.2 热障涂层界面断裂韧性的屈曲有限元模拟 393
8.4.3 热障涂层界面断裂韧性的屈曲表征的理论模型 398
8.5 热障涂层界面断裂韧性的鼓包法表征 402
8.6 高温下热障涂层断裂韧性的原位表征 410
8.6.1 高温下热障涂层表面断裂韧性的压痕法表征 410
8.6.2 高温下热障涂层断裂韧性的三点弯曲法表征 413
8.7 总结与展望 421
8.7.1 总结 421
8.7.2 展望 421
参考文献 422
第9章 热障涂层残余应力的表征 427
9.1 热障涂层残余应力的产生 427
9.1.1 热障涂层残余应力产生的原因 427
9.1.2 热障涂层残余应力的影响因素 428
9.2 热障涂层残余应力的模拟与预测 431
9.2.1 热障涂层涡轮叶片应力场演化及危险区域预测 432
9.2.2 流固耦合的热障涂层涡轮叶片应力场 436
9.3 热障涂层残余应力的有损表征 451
9.3.1 曲率法表征 451
9.3.2 钻孔法表征 454
9.3.3 环芯法表征 461
9.4 热障涂层残余应力的无损表征 466
9.4.1 X射线衍射法表征 466
9.4.2 拉曼光谱法表征 472
9.4.3 TGO层内残余应力的PLPS法表征 475
9.5 总结与展望 481
9.5.1 总结 481
9.5.2 展望 481
参考文献 481
第10章 热障涂层裂纹的声发射实时表征 487
10.1 高温声发射检测方法 487
10.1.1 声发射检测基本原理 487
10.1.2 高温复杂环境的波导丝传输技术 488
10.1.3 基于区域信号选择的声发射信号检测方法 490
10.2 裂纹模式识别的关键参数分析 491
10.2.1 热障涂层关键失效模式及其声发射信号时域特征 491
10.2.2 基于特征频率的热障涂层失效模式识别 493
10.2.3 基于聚类分析的模式识别特征参数提取 495
10.3 基于小波与神经网络的裂纹模式智能识别方法 502
10.3.1 小波变换的基本原理与方法 503
10.3.2 热障涂层损伤声发射信号小波分析 512
10.3.3 基于神经网络的声发射信号模式智能识别方法 517
10.4 热障涂层关键损伤的定量评价 522
10.4.1 损伤定量的基本思路 522
10.4.2 表面裂纹密度定量分析 523
10.4.3 界面裂纹的定量分析 528
10.5 基于声发射检测的热障涂层失效机理 531
10.5.1 热循环失效机理 531
10.5.2 高温CMAS腐蚀失效机理 537
10.5.3 燃气热冲击失效机理 544
10.6 总结与展望 549
10.6.1 总结 549
10.6.2 展望 550
参考文献 550
第11章 热障涂层微结构演变的复阻抗谱表征 555
11.1 复阻抗谱表征的基本原理 555
11.1.1 复阻抗原理 555
11.1.2 热障涂层的复阻抗谱响应分析 556
11.2 热障涂层复阻抗谱特性的数值模拟 562
11.2.1 复阻抗谱的有限元原理 562
11.2.2 热障涂层复阻抗谱的有限元模型 564
11.2.3 热障涂层复阻抗谱特性 565
11.2.4 非对称电极误差修正模型 573
11.3 热障涂层复阻抗谱测试参数优化 575
11.3.1 有限元模拟与阻抗测试 575
11.3.2 交流电压幅值的优化值 576
11.3.3 测试温度的影响与优化值 578
11.3.4 电极尺寸的影响 582
11.3.5 小结 584
11.4 热障涂层界面氧化的复阻抗谱表征 584
11.4.1 热障涂层界面氧化的等效电路 584
11.4.2 热障涂层复阻抗谱测试 586
11.4.3 界面氧化的复阻抗谱表征 587
11.5 热障涂层CMAS腐蚀的复阻抗谱表征 594
11.5.1 CMAS、热障涂层及其CMAS腐蚀的复阻抗谱测试 594
11.5.2 CMAS的复阻抗谱特性 595
11.5.3 热障涂层CMAS腐蚀的复阻抗谱响应 597
11.6 总结与展望 601
11.6.1 总结 601
11.6.2 展望 601
参考文献 602
第12章 热障涂层表界面损伤与内部孔隙的无损检测 606
12.1 热障涂层应变场的数字图像相关法表征 606
12.1.1 数字图像相关法表征应变场的基本原理 606
12.1.2 数字散斑的制作 608
12.1.3 数字图像相关法与声发射结合的失效判据分析方法 609
12.1.4 热障涂层高温应变场的数字图像相关法表征 611
12.1.5 热障涂层高温CMAS腐蚀应变场的数字图像相关法表征 617
12.1.6 不同涂覆量下CMAS腐蚀热障涂层横截面应变场的演变 622
12.1.7 CMAS腐蚀下热障涂层表面应变场的演变 626
12.2 基于X射线CT法的火山灰腐蚀热障涂层内部孔隙表征 629
12.2.1 CT法表征内部结构的原理 629
12.2.2 热障涂层孔隙提取与CT图像的三维重建 631
12.2.3 基于CT法的火山灰腐蚀热障涂层内部孔隙演化规律表征 633
12.3 红外热成像无损检测技术及其应用现状 641
12.3.1 红外热成像技术的原理 641
12.3.2 基于红外热成像技术的损伤检测 643
12.4 总结与展望 661
12.4.1 总结 661
12.4.2 展望 662
参考文献 662
第三篇 热障涂层评价技术
第13章 涡轮叶片热障涂层隔热效果 669
13.1 隔热效果理论分析 669
13.1.1 涡轮叶片传热方式 671
13.1.2 涡轮叶片热障涂层隔热效果的定义 672
13.1.3 隔热效果无量纲化 673
13.2 隔热效果数值模拟 676
13.2.1 耦合换热 677
13.2.2 湍流模型 680
13.2.3 热障涂层隔热效果数值模拟 681
13.3 隔热效果实验方法 685
13.3.1 涡轮叶片服役环境模拟装置 685
13.3.2 涡轮叶片实时测温技术 688
13.3.3 涡轮叶片热障涂层隔热效果实验研究 692
13.4 隔热效果影响因素 696
13.4.1 材料参数影响因素 697
13.4.2 服役环境影响因素 699
13.4.3 冷却结构影响因素 700
13.5 总结与展望 701
参考文献 702
第14章 热障涂层可靠性评价 707
14.1 热障涂层可靠性基本理论 707
14.1.1 性能、结构与环境参数的随机性及其分布规律 707
14.1.2 可靠性定义 709
14.1.3 可靠度指标及其几何意义 711
14.1.4 可靠性灵敏度 713
14.2 热障涂层可靠性计算方法 714
14.2.1 二阶矩法 714
14.2.2 Monte-Carlo法 717
14.2.3 均值法与改进均值法 719
14.2.4 基于软件实现的可靠性数值求解 721
14.3 热障涂层热循环应力作用下的可靠性预测 723
14.3.1 失效准则及极限状态方程 723
14.3.2 基本变量分布规律 724
14.3.3 涂层热循环剥落失效概率预测 724
14.3.4 可靠性灵敏度分析 726
14.4 热障涂层界面氧化的可靠性评价 727
14.4.1 失效准则 727
14.4.2 界面氧化影响参数的随机统计特征分析 728
14.4.3 基于二次二阶矩的界面氧化可靠性与灵敏度分析 729
14.5 热障涂层冲蚀失效的可靠性评价 731
14.5.1 涡轮叶片热障涂层冲蚀率模型与可靠性分析准则 731
14.5.2 涡轮叶片热障涂层冲蚀可靠性计算方法 733
14.5.3 影响冲蚀失效各参数的统计分析 739
14.5.4 涡轮叶片热障涂层冲蚀失效概率预测与灵敏度分析 740
14.6 总结与展望 742
14.6.1 总结 742
14.6.2 展望 742
参考文献 743
第15章 热障涂层服役环境试验模拟装置 747
15.1 热障涂层热载荷的试验模拟装置 747
15.1.1 高温自动热循环的实验模拟装置 748
15.1.2 CMAS腐蚀高温接触角测量装置 749
15.2 热障涂层热力联合加载装置与热力屈曲失效机理 753
15.2.1 热力联合加载实验装置 753
15.2.2 热力载荷作用下热障涂层屈曲失效模式 755
15.3 涡轮叶片热障涂层热力化耦合静态试验模拟装置 761
15.3.1 涡轮叶片热障涂层热力化耦合试验模拟与测试装置总体设计 761
15.3.2 几种典型的实验装置功能介绍 764
15.3.3 热力化耦合模拟实验与实时测试方法 768
15.4 涡轮叶片热障涂层热力化耦合动态试验模拟与测试装置 774
15.4.1 涡轮叶片热障涂层热力化耦合动态试验模拟与测试装置总体设计 774
15.4.2 热力化耦合动态试验模拟与测试装置主要进展 775
15.4.3 热力化耦合动态实验模拟与测试方法与效果 782
15.5 涡轮叶片热障涂层高温振动试验模拟装置 785
15.5.1 高温振动装置 785
15.5.2 热障涂层高温振动实验 785
15.6 总结与展望 786
15.6.1 总结 786
15.6.2 展望 787
参考文献 787
京公网安备 11010102004214号